隨著LED光效的不斷增高及成本的降低，LED照明日益成為白熾燈和熒光燈的完美替代品。不過(guò)，由于LED照明系統(tǒng)較為復(fù)雜；跨越光學(xué)、電和熱等領(lǐng)域，因此，在進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)電源壽命不匹配及可靠性不足等問(wèn)題，導(dǎo)致LED優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮。簡(jiǎn)而言之，LED照明(特別是LED路燈)大規(guī)模應(yīng)用的真正瓶頸就在于驅(qū)動(dòng)電源。
PI公司LED產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Andrew Smith |
Power Integrations公司(簡(jiǎn)稱PI)LED產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Andrew Smith表示：“正如早期的緊湊型熒光燈(CFL)技術(shù)因初始質(zhì)量低下而遭遇需求下降一樣，LED路燈照明的可靠性也受到了質(zhì)疑。大量的過(guò)早故障迫使各地方當(dāng) 局和其他客戶重新考慮LED的技術(shù)方法。待質(zhì)量問(wèn)題解決后，LED室外照明的主要優(yōu)勢(shì)將會(huì)再次推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。”
由于LED驅(qū)動(dòng)需和LED芯片及模塊協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，也必需考慮LED模塊的光電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此LED照明應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的需求各有不同。不過(guò)，整體而言，LED照明對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源的要求不外乎高效率、高可靠性，以及對(duì)調(diào)光與非調(diào)光應(yīng)用的兼容性等。其中，所謂高可靠性包括與LED光源相匹配的長(zhǎng)壽命、寬的電網(wǎng)適應(yīng)及自我保護(hù)性能，以及寬的工作溫度適應(yīng)性(-40度至65度，甚至-55度至85度）。
尤其是LED路燈主要用于室外環(huán)境，要長(zhǎng)年經(jīng)受風(fēng)吹雨淋、雷鳴電閃的惡劣環(huán)境；在中國(guó)南方，外界氣溫部分時(shí)間可能高達(dá)40℃~50℃；而在寒冷的北方，外界氣溫部分時(shí)間則可能低到-20℃~-30℃。因此LED路燈電源的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)就更加要注意質(zhì)量問(wèn)題。
“大部分路燈故障都可歸因于電源故障，路燈面臨著特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，大部分挑戰(zhàn)在傳統(tǒng)電源應(yīng)用中是不存在的。極高環(huán)境溫度的嚴(yán)酷條件（導(dǎo)致電路板溫度超過(guò)100℃），加上電源與負(fù)載(LED)的緊密相鄰，使得標(biāo)準(zhǔn)的適配器技術(shù)根本無(wú)法湊效。此外，電信轉(zhuǎn)換器所采用的用來(lái)對(duì)付高環(huán)境溫度的高效率方法，在路燈應(yīng)用中僅部分有效?！盇ndrew Smith表示：“長(zhǎng)壽命、高環(huán)境溫度電源需要采用特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，才能使電源在嚴(yán)酷環(huán)境下正常工作。路燈制造商經(jīng)常無(wú)法準(zhǔn)確確定電源的適用性，錯(cuò)誤的技術(shù)選擇最后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)早故障?！?
他指出，目前許多用于室外照明的電源都依賴大型鋁電解電容，然而對(duì)于要在嚴(yán)酷環(huán)境中工作的電源的功率轉(zhuǎn)換電路來(lái)說(shuō)，此類電容的效果并不好。PI極具成本效益的技術(shù)無(wú)需電解電容或其他短壽命元件(如光耦)，從而大幅提升外部照明方案的可靠性。
Andrew Smith強(qiáng)調(diào)：“PI的控制IC能幫助電源設(shè)計(jì)師完成模塊化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)LED并聯(lián)燈串，以90%以上的效率進(jìn)行工作，而無(wú)需鋁電解電容。此外，PI還提供高度集成的、高頻率的諧振變換器方案，通過(guò)將電源在輕載時(shí)的效率提升到92%以上來(lái)減輕對(duì)電源的應(yīng)力?！?
高效節(jié)能方面，根據(jù)美國(guó)能源局(DOE)于2009年12月3日針對(duì)一體化LED燈項(xiàng)目所發(fā)布‘能源之星’規(guī)格最終版，規(guī)定LED驅(qū)動(dòng)器的功率因子必須優(yōu)于0.7，而工業(yè)應(yīng)用則要優(yōu)于0.9。此外，在目前LED產(chǎn)品無(wú)全面標(biāo)準(zhǔn)情況下，LED必須滿足電氣強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC的GB17743對(duì)應(yīng)IEC6100，電流諧波THD的GB17625.1-2003對(duì)應(yīng)IEC61000-3-2:2001，這要求電源要有良好的EMC、PFC/THD。
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LED路燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)門坎高
TI半導(dǎo)體事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超針對(duì)LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源需求指出，LED路燈是由光學(xué)、熱學(xué)和電子學(xué)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，雖然LED本身的壽命較長(zhǎng)，但如果LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，如選用了低質(zhì)量的有源或無(wú)源器件，使整體驅(qū)動(dòng)電路壽命無(wú)法與LED匹配，就會(huì)影響LED路燈質(zhì)量及壽命。再者，LED的溫度管理及散熱也非常重要，一旦工作溫度高于100℃，LED本身的可靠性就會(huì)受到影響。當(dāng)然，LED早期失效、組裝局部缺陷及瞬態(tài)現(xiàn)象等因素，也導(dǎo)致LED偶爾可能會(huì)失效，如果沒(méi)有采取恰當(dāng)?shù)姆至鞅Ｗo(hù)措施，單顆LED的失效會(huì)導(dǎo)致整串LED不亮，影響整體路燈照明效果。
再者，在整體LED照明市場(chǎng)中，LED路燈是功率最高的應(yīng)用，因此需要多個(gè)功率級(jí)和復(fù)雜的拓樸，以滿足功率因子校正(PFC)、總體諧波失真(THD)、85 PLUS的效率等標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以及多串LED電流恒定的要求。劉學(xué)超認(rèn)為，要解決LED路燈的電路可靠性問(wèn)題，必須從驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高效率，減少元器件數(shù)量，另外也可進(jìn)一步減少成本。
Andrew Smith則建議對(duì)LED路燈驅(qū)動(dòng)電源采用金/銀/銅分級(jí)體系。例如，金級(jí)電源在嚴(yán)酷環(huán)境下具有長(zhǎng)使用壽命，能提供高效率(>90%)，且具有高功率因數(shù)。為滿足金級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)級(jí)要求，電源廠商必須遵循良好的工程經(jīng)驗(yàn)（例如，消除功率轉(zhuǎn)換電路中的電解電容）。銀級(jí)和銅級(jí)分別適用于工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)類應(yīng)用，它們符合這些細(xì)分市場(chǎng)的特有屬性。
他指出：“對(duì)LED電源采用金/銀/銅分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后，生產(chǎn)路燈的系統(tǒng)整合商就可以輕松、安全地選擇正確的技術(shù)，無(wú)需使自己成為電源專家。作為一家IC供應(yīng)商，PI支持采取一項(xiàng)通用的LED評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。我們正在與各LED制造商和政府機(jī)構(gòu)進(jìn)行接觸，以期在此項(xiàng)倡議的需要和內(nèi)容方面達(dá)成共識(shí)?！?
茂碩董事長(zhǎng)顧永德 |
深圳茂碩董事長(zhǎng)顧永德則表示，由于LED照明目前還未大規(guī)模普及應(yīng)用，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的需求量相對(duì)較小，并且尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此許多電源廠商的設(shè)計(jì)質(zhì)量不佳，導(dǎo)致電源產(chǎn)品壽命較短，即使在應(yīng)用條件良好的環(huán)境中，一般電源廠家的電源壽命亦達(dá)不到1萬(wàn)小時(shí)；如果在夏天40度環(huán)境溫度下，有許多廠家的電源壽命超不過(guò)4000小時(shí)。
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壽命及溫度范圍為關(guān)鍵所在
顧永德指出，茂碩在設(shè)計(jì)時(shí)便將電源開(kāi)機(jī)溫度規(guī)范在-40℃-70℃，獨(dú)有的PFC電路及內(nèi)部屏蔽結(jié)構(gòu)則能充分解決并保證在任何惡劣環(huán)境下，電源都能正常開(kāi)機(jī)。再者，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)灌膠技術(shù)的研究，進(jìn)而調(diào)配出密封性最好、散熱性最佳的灌封膠配比，使產(chǎn)品得以獲得完整嚴(yán)密的防水保護(hù)。茂碩的LED的驅(qū)動(dòng)電源壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí)。
針對(duì)現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)情況，顧永德指出許多燈具廠家多是在完成LED基板及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，才去考慮電源的問(wèn)題，忽略了電源沖擊對(duì)LED芯片的影響，為燈具的光衰減留下隱憂。而對(duì)于許多中小電源廠商而言，它們不可能有實(shí)力為每批數(shù)量不大的燈具專門開(kāi)發(fā)不同的電源，這就造成了燈具廠商找不到技術(shù)指標(biāo)和尺寸大小均合適的電源的普遍現(xiàn)象。茂碩電源則長(zhǎng)期致力于和廣大燈具客戶的互動(dòng)，針對(duì)客戶的不同要求提供切合實(shí)際的應(yīng)用方案，進(jìn)而保障了燈具質(zhì)量，贏得廣大燈具客戶的信賴。
現(xiàn)階段茂碩電源的七星系列產(chǎn)品正廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外將近1,000家客戶，其中包括勤上、真明麗、富士康、比亞迪、九洲光電、史福特、泰克拓普、邦貝爾、萬(wàn)潤(rùn)、格林光電、偉志光電、德豪潤(rùn)達(dá)及佛山國(guó)星等知名大廠。
茂碩并和勤上光電合作制訂符合雙方長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與切身利益的細(xì)則，在項(xiàng)目研發(fā)、科技攻關(guān)、技術(shù)咨詢與服務(wù)、信息交流、人才培養(yǎng)等方面全面開(kāi)展廣泛而深入的合作，且預(yù)計(jì)在未來(lái)三到五年內(nèi)，勤上光電在現(xiàn)有的LED照明項(xiàng)目上，將會(huì)90%以上訂制茂碩的LED驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)，還將共同投入新項(xiàng)目的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在共同開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目上面，將100%采用茂碩的高可靠驅(qū)動(dòng)電源。
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智能型驅(qū)動(dòng)為發(fā)展趨勢(shì)
顧永德并特別說(shuō)明智能型驅(qū)動(dòng)電源的重要性，他指出目前市場(chǎng)應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電源管理、LED燈具的智慧節(jié)能監(jiān)控的解決方案可說(shuō)極少，但是茂碩針對(duì)節(jié)能、環(huán)保、多功能、高可靠和智能化管理等目標(biāo)設(shè)計(jì)出照明時(shí)間智能控制、DALI智能無(wú)極調(diào)光、PLC智慧遠(yuǎn)程無(wú)極調(diào)光、PS485或DMX512智能遠(yuǎn)程無(wú)極調(diào)光、紅外感應(yīng)智能調(diào)光、0-10V模擬調(diào)光、室內(nèi)可控硅調(diào)光等七大智能調(diào)光技術(shù)，可根據(jù)環(huán)境、時(shí)間等的變化，由工作人員在控制室通過(guò)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制LED路燈開(kāi)關(guān)、調(diào)光，還可反饋電壓或電流、狀態(tài)查詢、故障報(bào)警等，既可以省去鋪設(shè)專有線路的麻煩，還可以解決遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，非常適合用于LED路燈的遠(yuǎn)程控制與管理。
由于這些特性，該公司出品的LED智能驅(qū)動(dòng)電源系列產(chǎn)品已占全國(guó)LED路燈市場(chǎng)65%的比例。茂碩LED驅(qū)動(dòng)電源目前年產(chǎn)能300萬(wàn)個(gè)，分析茂碩之所以能取得如此耀眼的市占成績(jī)，主要為該公司所生產(chǎn)的LED驅(qū)動(dòng)電源多是采用世界頂級(jí)品牌電子元器件，例如IC來(lái)自英飛凌、電容則全部是軍工級(jí)日系電容。
另一值得注意的中國(guó)LED驅(qū)動(dòng)電源業(yè)者則是廣州金升陽(yáng)科技有限公司。該公司已針對(duì)LED路燈應(yīng)用推出KC24W系列，此為引線式恒流大功率防水LED驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品，該系列的產(chǎn)品應(yīng)用降壓式電路結(jié)構(gòu)，具有效率高、寬輸入電壓范圍、高溫度工作環(huán)境、功能齊全等特點(diǎn)，提供PWM 調(diào)光、模擬調(diào)光等遠(yuǎn)程關(guān)斷功能。
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替代燈管電源朝隔離式發(fā)展
針對(duì)替代燈管所需的驅(qū)動(dòng)電源，基本上脫機(jī)型為發(fā)展主要趨勢(shì)，這主要是由于市場(chǎng)對(duì)安規(guī)日趨重視，因此隔離驅(qū)動(dòng)的需求日漸增加。脫機(jī)型LED電源市場(chǎng)主要分為高功率和低功率兩個(gè)部分，大概以50W為分界線。其中，基于集成型LED的替代燈管大多采用簡(jiǎn)單、非絕緣型降壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)品著重于采用最少的元器件數(shù)量和最低的成本，但又必須同時(shí)提供足夠的流明/瓦數(shù)，以及高于0.7的功率因子，并具有標(biāo)準(zhǔn)的雙向可控硅調(diào)光器調(diào)光的能力。
再者，高功率LED驅(qū)動(dòng)器通常需要絕緣隔離，以達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)，這往往需要其功率因子大于0.9，并具備調(diào)光能力，而這種調(diào)光能力可能是通過(guò)基礎(chǔ)調(diào)光器之外的其他方法實(shí)現(xiàn)的。另外還需要產(chǎn)生至少與熒光燈相等的流明/瓦，并具有更長(zhǎng)的使用壽命。
針對(duì)上述的需求，LED驅(qū)動(dòng)電源IC業(yè)者提供許多解決方案。其中，iWatt擁有專利的PSR(原邊控制)控制技術(shù)，這一技術(shù)使得該公司可以開(kāi)發(fā)出無(wú)需光耦等不適宜于LED驅(qū)動(dòng)電源高溫工作環(huán)境的應(yīng)用設(shè)計(jì)，從而大大提高了LED驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。 此外，iWatt幾年前就已開(kāi)始調(diào)光的應(yīng)用研究，并開(kāi)發(fā)出了3610和3620系列LED控制IC。iWatt指出，當(dāng)電源設(shè)計(jì)者選用iWatt方案進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，他們可以很輕松地解決發(fā)熱與體積的關(guān)系，因?yàn)橹蟮腖ED驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品的體積將變得越來(lái)越小，導(dǎo)致功率密度變得越來(lái)越大。
目前iWatt可提供一系列LED驅(qū)動(dòng)IC，適用于開(kāi)發(fā)從3W到30W的LED照明燈具，基本覆蓋了目前主流LED照明燈具的功率范圍。有性價(jià)比高、針對(duì)3W小功率的iW1696和iW1678；有將BJT三極管整合在一起的高集成度的iW1810，有配合不同的MOSFET靈活運(yùn)用于不同功率等級(jí)的iW3620，還有調(diào)光器兼容性最好的iW3610/3612系列IC。
其中，針對(duì)iW3610/3612系列IC，該公司是將傳統(tǒng)的兩級(jí)控制(PFC+PWM)整合在一個(gè)SO8的封裝內(nèi)，這些方案既能提供電流控制，也能兼容切相式調(diào)光器(phase cut dimming)，還能改善功率因素，這種設(shè)計(jì)符合LED市場(chǎng)的主流要求。其中，iW3610是用于可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的AC/DC數(shù)字電源控制器，輸入電壓100Vac/230Vac，頻率從47Hz到64Hz，調(diào)光范圍從2-100%，LED電流調(diào)整幅度±5%，起動(dòng)電流10uA，輸出功率高達(dá)45W，具有多種LED保護(hù)特性。該方案具有快速起動(dòng)，LED沒(méi)有可見(jiàn)的閃爍等特點(diǎn)。
PI則是提供了一系列針對(duì)LED照明應(yīng)用的高度集成高壓IC，在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師要求寬電壓輸入(85VAC至265VAC)的脫機(jī)式電源。對(duì)于不需要調(diào)光的應(yīng)用，使用LinkSwitch-PH就可以省去電解電容。對(duì)電容剩下的唯一要求是在輸出中通過(guò)AC波形的低點(diǎn)(此時(shí)，電壓接近于零)對(duì)LED供電。這可以用足夠容量的陶瓷電容、鉭電容來(lái)替代電解電容，從而消除100Hz或120Hz的閃爍。
PI的5W脫機(jī)式LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)(RDK-251)具備無(wú)閃爍可控硅調(diào)光和單級(jí)功率因子校正（PFC）。該參考設(shè)計(jì)基于LNK457DG，可在15V額定LED燈串電壓下提供350mA單路電流輸出。使用標(biāo)準(zhǔn)的AC市電可控硅調(diào)光器可將輸出電流降低至1%（3mA），這不會(huì)造成LED數(shù)組性能不穩(wěn)或發(fā)生閃爍。該電源可同時(shí)兼容低成本的新形調(diào)光器和更復(fù)雜的笨重調(diào)光器，其AC耐壓范圍為0VAC至300VAC，能增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性，延長(zhǎng)在線電壓驟降和驟升條件下的使用壽命。
本文下一頁(yè)：LED驅(qū)動(dòng)電源需求增加快速
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LED驅(qū)動(dòng)電源需求增加快速
LED驅(qū)動(dòng)電源器是LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的保障，也就是說(shuō)LED電源的質(zhì)量直接決定了LED產(chǎn)品的可靠性，因此，在LED產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善的今日，LED驅(qū)動(dòng)電源的成熟也至關(guān)重要。一盞LED路燈配置一臺(tái)LED驅(qū)動(dòng)電源，根據(jù)預(yù)測(cè)，2013年中國(guó)LED驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)到700萬(wàn)臺(tái)以上，市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大至17.5億。
然而，LED驅(qū)動(dòng)電源不是傳統(tǒng)電源，技術(shù)含量非常高。由于供應(yīng)受制于技術(shù)水準(zhǔn)，跟不上需求的進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)整體上處于供不應(yīng)求的狀況。目前LED驅(qū)動(dòng)電源已成為「十城萬(wàn)盞」工程推廣的瓶頸，也是制約LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。
對(duì)LED燈具業(yè)者而言，LED驅(qū)動(dòng)電源的成本及使用壽命至關(guān)重要，其中的關(guān)鍵為采用高質(zhì)量的元器件并控制生產(chǎn)質(zhì)量，在保證高性能和可靠性的前提下必須盡可能地降低成本。據(jù)了解，近來(lái)有大量小型公司紛紛進(jìn)軍LED驅(qū)動(dòng)電源市場(chǎng)，市場(chǎng)價(jià)格因競(jìng)爭(zhēng)而不斷下滑。如何在保證可靠性和質(zhì)量的同時(shí)，提供最低成本的LED照明解決方案，成為業(yè)者需要面對(duì)的新挑戰(zhàn)。
整體而言，LED照明系統(tǒng)具有超凡的優(yōu)勢(shì)，包括相位控制可控硅調(diào)光、單級(jí)功率因子校正(PFC)、能耗低、體積小、組件數(shù)量少、使用壽命長(zhǎng)、快速啟動(dòng)時(shí)間、維護(hù)少、抗振防震、能夠生成純凈的彩色光、集成度高等。只要不斷改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電源，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路，就可以發(fā)揮固態(tài)照明的優(yōu)勢(shì)。
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