在LED照明設(shè)計(jì)過程中需考慮哪些因素

LED照明技術(shù)在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的進(jìn)步需要低成本，堅(jiān)固耐用且可靠的電源，以便在極端條件下提供長使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須了解所有組件的可靠性和壽命特性，并在設(shè)計(jì)過程中采用適當(dāng)?shù)目紤]因素。

氣體放電照明多年來一直是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中的主要照明技術(shù)。然而，LED照明現(xiàn)已成為一個(gè)重要的競爭對手。 LED照明的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長，維護(hù)成本低。隨著更多系統(tǒng)在世界各地推出，這些優(yōu)勢證明了它們的價(jià)值，燈后面的電子驅(qū)動(dòng)器必須可靠并且能夠運(yùn)行多年。 LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)需要平衡許多妥協(xié)，但一個(gè)不良的元件選擇可能會(huì)在現(xiàn)場造成災(zāi)難性后果。

圖1：商用LED照明系統(tǒng)的元件（系統(tǒng)壽命= 50，000小時(shí)）基于LED的照明系統(tǒng)由電源，LED發(fā)光器和燈具組成（圖1）。系統(tǒng)的使用壽命取決于該系統(tǒng)中任何組件的最短壽命。

電源由許多組件構(gòu)成，每個(gè)組件都有自己的磨損機(jī)制和隨之而來的壽命限制。圖2給出了LED系統(tǒng)中主要元件壽命的細(xì)分。

對于所有實(shí)際應(yīng)用，控制器和其他半導(dǎo)體元件沒有壽命限制。 LED系統(tǒng)的壽命主要由LED和電容器決定;本文將重點(diǎn)介紹這些組件。

從表面上看，電解電容器的使用壽命似乎太短，無法用于任何專業(yè)應(yīng)用。但是，額定壽命在最高工作溫度下指定。如果電容器的工作電壓明顯低于最大額定值，則壽命會(huì)大很多倍。

圖2：決定LED系統(tǒng)壽命的主要因素。

壽命和平均時(shí)間故障之間

在考慮系統(tǒng)可靠性時(shí)，壽命和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）具有非常不同的含義。這些的常見類比是“浴缸”曲線。在浴缸開始時(shí)，故障率非常高。這些失敗被稱為“嬰兒死亡率”失敗。任何制造商的目標(biāo)是確保在產(chǎn)品出廠前檢測并篩選出所有嬰兒死亡率故障。浴缸的長底是產(chǎn)品的使用壽命。在此期間的任何失敗都被稱為“流氓”失敗。這一時(shí)期的失敗率應(yīng)該很低，并由MTBF定義。在浴缸的另一端，由于“磨損”故障的發(fā)生，故障率開始上升。磨損不一定是災(zāi)難性的失敗 - 它可能是初始規(guī)格之外的組件參數(shù)的穩(wěn)定漂移。在某一時(shí)刻，磨損故障的發(fā)生率超過了可接受的水平，系統(tǒng)的使用壽命已經(jīng)達(dá)到。

一個(gè)已知磨損機(jī)制的部件在一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)故障的操作。但是，這并未說明服務(wù)期間組件的可靠性。在磨損機(jī)構(gòu)生效之前，該部件可以表現(xiàn)出示例性的可靠性水平。磨損機(jī)制的存在并不意味著組件必然是一個(gè)壞組件或技術(shù) - 它只是一個(gè)適合目的的情況。對此的一個(gè)很好的例證是白熾燈和LED燈的比較白熾燈發(fā)生災(zāi)難性故障。另一方面，LED會(huì)隨著時(shí)間的推移而減少光輸出，而不是完全失效。

壽命：

產(chǎn)品滿足規(guī)定操作限制的預(yù)期使用壽命

例如，白熾燈泡

1000小時(shí)的使用壽命

超過1，000小時(shí)，燈絲斷裂，產(chǎn)品（明顯）不再符合操作要求

例如，LED燈

35，000小時(shí)壽命（L70）

光輸出在整個(gè)壽命期間會(huì)降低，直到35，000小時(shí)已減少到初始值的70％

超過35，000小時(shí)，LED仍可正常工作但性能下降

MTBF：

故障之間的設(shè)備操作

操作1臺(tái)設(shè)備100，000小時(shí)或10，000臺(tái)設(shè)備10小時(shí)會(huì)產(chǎn)生相同的故障預(yù)期

LED照明燈具的MTBF等于所有單個(gè)組件的MTBF總和

例如，白熾燈泡

MTBF 》》 100，000小時(shí)

每十億小時(shí)運(yùn)行失敗的時(shí)間（FIT）失敗

對于LED，壽命終止取決于光輸出下降到初始指定水平百分比的小時(shí)數(shù)。

MTBF完全不同，同樣適用于白熾燈和LED燈。它是在使用壽命期間發(fā)生的隨機(jī)或流氓故障級別，定義為任何單個(gè)設(shè)備發(fā)生故障的平均時(shí)間。對于單個(gè)燈泡，您可以在失敗前等待100，000小時(shí)。這顯然比壽命長得多，所以看起來似乎是無稽之談。但是，如果您安裝了100，000個(gè)燈泡，例如城市街道照明系統(tǒng)，那么您會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)小時(shí)都有一個(gè)燈泡發(fā)生故障。 MTBF在大型系統(tǒng)或許多組件的組件方面具有重要意義。

MTBF在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器等系統(tǒng)時(shí)的意義在于系統(tǒng)故障的概率是故障概率的總和。每個(gè)組件。簡而言之，如果減少組件數(shù)量，系統(tǒng)將更加可靠。

MTBF和使用壽命都會(huì)受到應(yīng)用和使用的影響。這可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)和第一臺(tái)破紀(jì)錄的計(jì)算機(jī)Colossus的開發(fā)。該機(jī)器需要使用1，500個(gè)熱電子閥，并且在首次提出時(shí)，該設(shè)計(jì)的批評者表示它將永遠(yuǎn)不會(huì)繼續(xù)工作足夠長時(shí)間來解碼單個(gè)消息。其中一個(gè)閥門總會(huì)失效。然而，設(shè)計(jì)的支持者，名叫Tommy Flowers的工程師知道，如果你連續(xù)操作熱離子閥門（即，從不關(guān)閉它們），它們將表現(xiàn)出長而可靠的壽命 - 事實(shí)證明是這種情況。今天的燈泡也是如此。

計(jì)算可靠性

其中：R（t）作為時(shí)間函數(shù)的可靠性MTBF平均故障間隔時(shí)間λ，故障率故障數(shù)在1，000，000小時(shí)內(nèi)預(yù)測T溫度A，B經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

組件的故障率和壽命隨溫度而變化。這一事實(shí)構(gòu)成了部件降額的基礎(chǔ)。故障率隨溫度的變化被稱為“加速因子”，并且對于每種組件技術(shù)而言是不同的。圖3顯示了許多組件類型的故障率與溫度的關(guān)系。

曲線所基于的方程稱為Arrhenius方程。它們最初用于計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的變化。今天應(yīng)用于電子元件的特性曲線主要基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)這些曲線既可用于故障率，也可用于壽命預(yù)測，但必須記住，任何給定技術(shù)的故障率和壽命都有很大不同的加速因子。

LED的壽命結(jié)束前面已經(jīng)注意到LED的壽命取決于光輸出的下降。如圖4所示。

圖3：故障率與溫度的關(guān)系來源：MIL-HDBK-217F。

電感器Tj - 熱點(diǎn)溫度

晶體管N溝道和P-溝道Si FET，f 《= 400 MHzΛp=故障率 - 每百萬小時(shí)故障

πT=溫度系數(shù)

圖4：LED光輸出隨時(shí)間下降。ENERGYSTAR?SSL標(biāo)準(zhǔn)V.1.1規(guī)定了最低壽命流明維持率，L70 25，000小時(shí)住宅35，000小時(shí)商用

為符合ENERGY STAR SSL標(biāo)準(zhǔn)V1.1.1，在商業(yè)應(yīng)用中，LED燈必須至少排放70％服務(wù)35，000小時(shí)后的原始指定光輸出。如Arrhenius方程所示，壽命預(yù)測隨溫度而變化。因此，燈具制造商可以通過降低結(jié)溫來延長LED的預(yù)期使用壽命（圖5）。

圖5：驅(qū)動(dòng)電流對結(jié)溫和使用壽命的影響。

燈制造商可以通過以較低電流驅(qū)動(dòng)LED或通過增加冷卻來降低結(jié)溫來延長預(yù)期使用壽命。相同的原理適用于電源中的所有組件。

在LED之后，要關(guān)注的主要組件類型是電容器。電源設(shè)計(jì)人員可以使用幾種不同的電容器技術(shù)，如圖6所示。鋁電解電容器在電子系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樗鼈兂杀镜?，每單位體積電容高，具有良好的紋波電流性能，可以承受瞬態(tài)過電壓而不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。

圖6：不同電容器技術(shù)的比較。然而，近年來廣泛宣傳的電容器問題導(dǎo)致重大產(chǎn)品召回問題引起了人們的關(guān)注在長壽命系統(tǒng)中使用鋁電解電容器的可行性。

在譴責(zé)鋁電解電容器之前，必須記住，替代技術(shù)沒有完全清潔的健康狀況。鉭和陶瓷電容器均表現(xiàn)出短路典型故障模式，這將始終阻止驅(qū)動(dòng)器工作。陶瓷電容易受電壓瞬變的影響。鉭電容器具有有限的電壓范圍并且可能爆炸性地失效。

鋁電解電容器由于其結(jié)構(gòu)而具有眾所周知的磨損機(jī)制。電容器含有電解質(zhì)，通常是水溶液中的硼酸或硼酸鈉，以及各種糖或乙二醇和各種“秘密”成分。乙二醇的目的是限制電解液的蒸發(fā)，鋁電解質(zhì)的缺陷以及它們有限壽命的原因。但是要知道電容器的壽命特性（圖7），可以延長使用壽命。通過降低工作溫度來延長壽命。上述公式的影響是，在溫度每降低10°C，預(yù)期壽命就會(huì)翻倍。例如，在105°C下額定工作5000小時(shí)的電容器在75°C時(shí)的預(yù)期壽命為40，000小時(shí)。

圖7：鋁電解電容器的溫度壽命。

另一要考慮的因素是電解電容器在使用壽命結(jié)束時(shí)不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。隨著電解質(zhì)蒸發(fā)，電容器的特性發(fā)生變化，電容下降，并且耗散和漏電流會(huì)增加。電容器的壽命（如圖7所示）通常定義為電容從其初始值變化超過25％的時(shí)間。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮到使用壽命期間特性的預(yù)期變化，則LED燈在壽命結(jié)束時(shí)仍應(yīng)亮起。主要變化是通過LED的紋波電流增加。用戶不會(huì)觀察到這種情況，但會(huì)導(dǎo)致LED內(nèi)的功耗增加，并可能導(dǎo)致其最終失效。

實(shí)現(xiàn)高可靠性和長壽命的關(guān)鍵是良好的熱管理。必須考慮最終用途;例如，嵌入式照明與外露式照明設(shè)備。在測試原型時(shí)，必須在最壞情況的最終使用條件下測量電容器外殼溫度，并根據(jù)電容器供應(yīng)商的規(guī)格進(jìn)行檢查。必要時(shí)，必須選擇更高溫度或更長壽命規(guī)格的電容器。

電源設(shè)計(jì)人員在從信譽(yù)良好的供應(yīng)商處選擇正確指定的電容器并應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕殿~因子時(shí)，可以放心使用鋁電解電容器。實(shí)踐中的一個(gè)例子是圖8中的650流明LED燈該燈在外殼內(nèi)部裝有一個(gè)大型散熱器，以保持較低的元件溫度。該設(shè)計(jì)采用電解電容器;然而，制造商最近根據(jù)他們收集的良好的現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)將保修期從三年延長到五年。

圖8：650流明燈具有良好的熱管理，可延長使用壽命。

無電解設(shè)計(jì)

盡管如此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍然可以在不使用鋁電解的情況下設(shè)計(jì)電源。這有什么影響以及設(shè)計(jì)師有哪些替代方案？電容器用于電源的多個(gè)位置（圖9）。

圖9：在LED驅(qū)動(dòng)器中使用電容器。

電解電容器通常用于以下位置：

IC去耦

IC輔助輸出濾波器

峰值檢測器濾波器

輸出濾波器

另一個(gè)功能通常需要非電解電容是輸入濾波電容。在單級功率因數(shù)（PF）校正驅(qū)動(dòng)器中，輸入濾波器電容必須最小化（》1μF）以滿足高PF。由于需要高額定電壓并且與多層陶瓷電容相比成本更低，這有利于薄膜類型的使用。

對于低電流輔助輸出的IC去耦和濾波，在選擇陶瓷電容器時(shí)沒有性能折衷電解電容。然而，峰值檢測器和輸出濾波器的情況并非如此。

使用非電解電容器需要權(quán)衡，并且存在不同程度的挑戰(zhàn)。對于輸出電容，最大的挑戰(zhàn)是電容值，因?yàn)橥ǔＪ褂?20μF至1000μF范圍內(nèi)的電容。圖10顯示了更換相同值的單個(gè)鋁電解電池所需的陶瓷電容器數(shù)量。 br》如果在輸出端使用明顯更低的電容值，結(jié)果將是高頻和低頻紋波的增加（圖11）。

圖10：鋁電解電容器的容積效率電容。

圖11：輸出電容對紋波的影響（上部跡線：LED電流;下部跡線：LED電壓）。

增加的高頻開關(guān)紋波對用戶不可見，但確實(shí)如此增加LED的RMS功耗。這將對LED的使用壽命產(chǎn)生影響，并且可能需要以較低的電流運(yùn)行，同時(shí)減少光輸出或使用更多的LED，或增加冷卻。

低輸出電容也會(huì)導(dǎo)致TRIAC調(diào)光應(yīng)用中的重大損害。當(dāng)燈變暗時(shí)，通過減小TRIAC的導(dǎo)通角，在沒有能量提供給轉(zhuǎn)換器的情況下有更長和更長的周期。在這些時(shí)段期間，維持LED發(fā)光的唯一能量是存儲(chǔ)在輸出電容器中的能量。由于陶瓷電容值較低，因此輸出電流降至零，LED熄滅。通過LED以交流線路頻率的兩倍發(fā)生紋波，這將被視為LED的閃爍，降低了所產(chǎn)生的光的感知質(zhì)量，從而降低了最終用戶對整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。

如果是陶瓷輸出電容器用于調(diào)光應(yīng)用，必須接受較小的調(diào)光范圍，因?yàn)橛捎谌狈δ芰看鎯?chǔ)，轉(zhuǎn)換器無法在較小的調(diào)光器導(dǎo)通角下保持工作。

峰值檢測

通常使用1μF電容器檢測整流的AC輸入峰值。由于高電壓，只有陶瓷，金屬膜或鋁電解電容器可用于此功能。對于0.22μF（高壓陶瓷）和相對低值的輸出電容，由于電容器的放電，在導(dǎo)通角處可能出現(xiàn)微調(diào)。這與電容的電壓系數(shù)相結(jié)合，電容電壓系數(shù)降低了電容值（在施加電壓時(shí)，在X7R電介質(zhì)的額定電壓的100％下降至-60％）。一個(gè)微妙的考慮因素是線路浪涌事件所需的電容器額定電壓。差模線路浪涌事件具有指定的能量含量，其導(dǎo)致電容器兩端的電壓隨其值的增加而增加。因此，與鋁電解相比較低的電容值需要更高的額定電壓，以避免在相同幅度的浪涌事件中受到損壞。

兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例

為了說明這些注意事項(xiàng)在實(shí)踐中的影響，兩個(gè)類似的LED驅(qū)動(dòng)器將審查設(shè)計(jì)。兩者都使用Power Integrations LNK403EG控制器IC。一種是按常規(guī)設(shè)計(jì)的，一種是在沒有任何鋁電解電容器的情況下設(shè)計(jì)的。圖12是使用LinkSwitch?PH LNK403EG的高效率（≥81％），高功率因數(shù)（》 0.9）TRIAC可調(diào)光7 WTYP LED驅(qū)動(dòng)器的示意圖。 PI參考設(shè)計(jì)報(bào)告RDR-193中詳細(xì)描述了該設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器被指定提供從90 - 265 VAC的21 VTYP 0.33 A輸出。

所使用的拓?fù)涫窃谶B續(xù)導(dǎo)通模式下工作的隔離反激。

輸出電流調(diào)節(jié)完全從初級側(cè)檢測，消除了需要二次側(cè)反饋組件。初級側(cè)無需外部電流檢測，因?yàn)檫@是在IC內(nèi)部執(zhí)行的，從而進(jìn)一步減少了元件和損耗。內(nèi)部控制器調(diào)節(jié)MOSFET占空比，以保持正弦輸入電流和高功率因數(shù)以及低諧波電流。初級側(cè)傳感設(shè)計(jì)消除了二次傳感配置中原本需要的20個(gè)組件。組件的減少對評估的MTBF產(chǎn)生了重大影響，從而產(chǎn)生了非?？煽浚统杀镜脑O(shè)計(jì)。

關(guān)鍵性能特征如下：

卓越的性能和最終用戶體驗(yàn)

TRIAC調(diào)光器兼容（包括低成本前沿型）

無輸出閃爍

1000：1調(diào)光范圍

清潔單調(diào)啟動(dòng) - 無輸出閃爍

快速啟動(dòng)-100（《100毫秒） - 沒有明顯的延遲

一致的調(diào)光性能單位

高效節(jié)能：115 VAC時(shí)≥81％， 230 VAC時(shí)≥82％

低成本，低元件數(shù)和小尺寸印刷電路板尺寸解決方案

無需電流檢測

頻率抖動(dòng)較小，較低成本EMI濾波器組件

集成保護(hù)和可靠性功能

符合IEC 61000-4-5環(huán)形波，IEC 61000-3-2 C類諧波和EN55015 B傳導(dǎo)EMI

圖12：使用電解電容的7 W可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器示意圖（點(diǎn)擊圖片放大）。

圖13：原理圖用于7 W可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，不使用電解電容器（點(diǎn)擊圖片放大）。相比之下，圖13是非電解設(shè)計(jì)。圖13是非電解電容器的示意圖，效率高（ ≥82％），高功率因數(shù)（》 0.9）TRIAC可調(diào)光7 WTYP LED驅(qū)動(dòng)器使用LinkSwitch-PH LNK403EG。該驅(qū)動(dòng)器被指定為90 - 265 VAC輸入提供18 VTYP 0.38 A輸出。

關(guān)鍵性能特征與圖12設(shè)計(jì)大致相同，但有一些區(qū)別：

調(diào)光范圍》 100：1對比》 1000：1

115 VAC時(shí)效率≥82％，230 VAC時(shí)效率≥85％，115 VAC時(shí)≥81％，230 VAC時(shí)≥82％

進(jìn)行非電解設(shè)計(jì)的成本很低，但差異在于細(xì)節(jié)。圖14突出顯示了電容變化。

圖14：電容選擇的變化。

輸出濾波電容由4 x22μF陶瓷電容組成，代替2 x330μF電解電容。因此，總電容從660μF降至88μF。這會(huì)影響輸出紋波和調(diào)光性能，并且盡管價(jià)值較低，但會(huì)增加輸出電容的成本。

偏置電容采用10μF陶瓷代替22μF電解電容，IC旁路電容采用10μF陶瓷電容100μF電解液兩種替換都不需要任何性能折衷。

輸入電壓峰值檢測器電容由2 x 100 nF 500 V陶瓷代替1μF400V電解質(zhì)組成。在微光和線路浪涌性能方面存在一些性能影響。

此設(shè)計(jì)練習(xí)的目的是保持電容器和電路板PCB面積的成本大致相同。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，總電容僅限于電解設(shè)計(jì)中使用的電容的20％。即使電容減小，陶瓷電容也要貴得多（相比電解電容大5倍）。從性能角度來看，輸出紋波性能可以看出其主要影響（圖15）

圖15：性能比較。

采用電解設(shè)計(jì)，輸出紋波為50％。通過LED的峰值電流較低，從而產(chǎn)生更理想的LED耗散（理想情況下為DC）。調(diào)光性能是最佳的，因?yàn)樵谡麄€(gè)TRIAC導(dǎo)通范圍內(nèi)LED電流始終》 0。 LED光輸出中不存在線路頻率閃爍。

采用非電解設(shè)計(jì)，輸出紋波為100％。在每個(gè)線路周期期間，輸出電流降至零。隨著通過LED的峰值電流增加功耗（RMS功率），LED耗散相應(yīng)地更高。調(diào)光性能受到影響。隨著TRIAC導(dǎo)通角范圍的減小，線路頻率閃爍變得非常明顯。 LED以兩倍的線路頻率產(chǎn)生頻閃光輸出（由于全波AC整流）。這些例子表明，可以在不使用鋁電解電容器的情況下設(shè)計(jì)具有競爭力的LED驅(qū)動(dòng)器。然而，正如在所有模擬設(shè)計(jì)中一樣，沒有任何東西是免費(fèi)的，并且必須在調(diào)光性能方面接受折衷。還必須更加注意LED的熱管理，但不應(yīng)注銷鋁電解電容器。鋁電解仍然是一種非常廣泛使用的電容器技術(shù)，并且有充分的理由。如果選擇合適的規(guī)格電容器并在設(shè)計(jì)中理解并考慮其壽命特性，則會(huì)產(chǎn)生堅(jiān)固，可靠且壽命長的LED驅(qū)動(dòng)器。