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LED灯具设计的几个关键秘诀如何预测LED寿命？LED灯具长寿的秘诀近几年，LED作为新型节能光源在全球和中国都赢得得了很高的投资热情和极大关注，并由户外向室内照明应用市场渗透，中国也涌现出大大小小上万家LED照明企业。让LED照明大放异彩的最主要原因正是其宣扬的具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点，其中长寿面是其最突出的特点，一般LED发光寿命长达5-10万个小时，但是现实的问题是LED灯并不长寿。为什么会出现这种问题呢？有什么办法可以解决这个问题？敬请关注本文。LED发光长寿命的原因LED的寿命为何长呢？那就要从led的发光原理说起了。LED，即发光二极管。是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。多变幻：LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光的，经过相当长时间的加热，钨丝就会老化甚至烧断，至此，白炽灯泡的寿命也就此告终了，而发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的，二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子和多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，所以LED发光的寿命可以很长。现实问题：LED灯并不长寿尽管LED照明具有具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点，但颇具讽刺意味的是，我们常常听闻由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具变得并不“长寿”，极大地增加了维护/使用成本；或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的能效转换比并不是想象中那么高，或者由于输出电流纹波没有得到很好的控制而影响了发光品质，使得LED照明的绿色节能优势大打折扣，甚至影响了市场普及。如何预测LED寿命？一切事物都有发生、发展和消亡的过程，虽然比起一般的发光器件，LED的寿命相对比较长，但也是有一定寿命的。早期的LED只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的LED路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。理论上可以10万小时的寿命，可是实际上却不可而知，那么到底问题出在哪里呢？假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。那么LED的寿命能不能预测呢？长寿命LED照明解决方案1、先进封装技术解决散热问题由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射，假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板，则反射板会借鉴光线，使光线的抽取量急速锐减。所以，我们必须得想办法减低LED芯片的温度，从而减缓LED芯片降低温度效用的负担。保持LED的运用生存的年限，目前研究出来的办法是改善芯片外形，使用小规模芯片，关于LED的长命化，到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料，同时将荧光材料散布在封装材料内，特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料，可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。2、高效率电源匹配LED长寿特征由于拥有更高的效率与更长的使用寿命，LED的使用日益普及。因此，供电电源需要具有更高效率，至少要有与LED相同的使用寿命。就THD（总谐波失真）而言，欧洲标准EN61000-3-2对功率损耗超过25W的照明装置有严格限制。此外，这些照明装置需要满足功率因数要求。为此，需要包含有源PFC（功率因数校正），以确保输入电流与输入电压吻合。本文将讨论LED驱动器满足这些要求的工作原理，并对AC/DC降压转换器如何高效地驱动30只同串的高亮度LED进行说明，本文还将提出采用隔离式AC/DC电源及一款具有动态余量控制的LM3464。3、ESD保护延长LED现场使用寿命随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管（HB-LED）的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED 在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电（ESD）保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的Vidya Premkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。4、元器件为LED照明护航CBS25V1P50A1W是专为驱动LED路灯而设计的高效率、超长使用寿命的LED恒流驱动器模块。输出电流高达1.5A，且输出电流可以在 01.5A范围内任意指定，效率超过90%，不仅省电还可降低模块自热引起的温升，宽泛的输入输出电压范围，具有内置过留保护功能，确保的系统的安全可靠。应用领域：路灯、隧道灯、信号灯、安全灯；手电筒、车灯、航标灯；照明灯、庭院灯、草坪灯。相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。本文针对铝电解电容对LED驱动电路的影响提出了相关的分析。长寿命LED驱动电路专用电解电容器应用特性分析相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。是什么原因造成 LED等的过早损坏？原因在于LED驱动电路的可靠性不高，驱动性能不好。抛开驱动性能不好的因素，LED灯寿命短的根本原因就是驱动电路中的电子原件寿命远远低于LED的寿命。是哪个元件的寿命最短？电解电容器！电解电容器的寿命在LED驱动电路中，特别是交流市电驱动LED灯时，LED驱动电路必须要有输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。输入整流滤波电路需要相对和大的电容量才能将整流输出电压平滑到允许范围。输出整流滤波电路也需要足够的电容量来维持电路的稳定性和输出电流的平滑。最经济的大电容量电容器唯电解电容器是最佳选择。电解电容器最大的优点是经济性好，而最大的弱点是寿命短。10年前的铝电解电容器一般为105/200小时。这就是说在105的温度条件下的使用寿命只有84天！即使降低到85，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年！继续降低到75，寿命也不会超过两年。相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。解决问题的方法无电解电容器的LED驱动技术如果用十年前的铝解电容器技术的观点看，铝电解电容器是无法胜任LED等寿命的。解决方法一般为无铝电解电容器技术，这就是前些年风行的五铝电解电容器LED驱动技术的根本原因。但是不能不是的问题是，采用无铝电解电容器的后果是LED驱动电路的性能下降，间接的导致LED寿命的严重不足。无电解电容器方案存在的问题首先，无电解电容器方案使得市电整流输出电压纹波加大，如果不加以处理就会导致LED输出电压纹波的增加。如果LED工作在满功率状态，就可能出现市电频率下的周期性过电流（或过功率）图中可以看到，大功率LED工作电流在0.7A时对应的正向电压约为3.4V，如果LED端电压波动0.2V，流过 LED的电流将超过0.95A，对于0.7A的大功率LED，这绝对是一个过功率。最终结果会导致寿命的缩短。如果工作电流选择最大额定电流的一半时，尽管不会出现过功率，但是会引起损耗的加大，而且会产生比较大的LED电流变化，会导致如50Hz电感镇流器驱动荧光灯那样的闪烁，甚至会更严重。市电整流滤波电容器的问题无铝电解电容器 LED驱动始终避免不了的问题是：平滑电源侧整流输出电压需要足够的电容量，而采用薄膜电容器会明显增加成本，增加体积，不得已而选择低电容量，这又会输得整流输出电压纹波电压变大，特别是像PI的产品，当电容量低于1F/W就会在变换器输出产生比较高幅值的纹波电压，会使得LED闪烁。输除整流滤波电容器的电容量选择过低可能会产生反激式变换器的自激，因此不希望输出整流滤波电容器过低的电容量，但是非铝电解电容器的价格又太高。输出整流滤波电容量对LED驱动的影响如果LED驱动电路是反激式变换器，为了实现稳定，需要足够的电容量。如果电容量不够会引起电路的寄生振荡，使得LED严重闪烁。控制IC电源旁路电容器的影响控制IC电源旁路电容器不仅需要足够的电容量，还要具有良好的电源旁路性能，如果电容量过小就会引起控制IC电源电压的波动，从而引起输出电压的波动，导致LED的闪烁。一、改进电解电容器的性能和寿命是解决LED驱动寿命的最简捷、最经济的方法从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与 LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。低压电解电容器是问题的关键。相对而言低压电解电容器获得1051万小时的寿命要比1051万小时寿命的高压电解电容器难得多。最主要的原因是低压电解电容器需要极低的ESR，而极低的ESR需要大幅度提高电解液的导电率，而大幅度提高电解液电导率的最简单的办法就是提高电解液的含水量。所带来的问题就是“水合”反应的过早出现而导致电解电容器的早期失效。国外超长寿命铝电解电容器的水平在LED驱动工程师研究无铝电解电容器LED驱动技术的同时。随着铝电解电容器材料和制造技术的提高，铝电解电容器制造商在努力克服铝电解电容器寿命的问题。铝电解电容器在105温度下率先突破1万小时的铝电解电容器制造商是RUBYCON。最难突破的难点是低压铝电解电容器，原因是低压铝电解电容器需要很低甚至极低的ESR，而要想获得极低的ESR，通常的技术就是提高电解液的含水量，所带来的问题就是因“水合”反应而导致铝电解电容器的早期失效，违背了超长寿命的技术要求。RUBYCON对这个问题非常重视，在不断的探索后推出了比较低含水率电解液的105/1万小时寿命的低压铝电解电容器。国外及超长寿命铝电解电容器的水平105万小时级的低压铝电解电容器有RUBYCON的ZLH系列，这是一款高含水率的铝电解电容器，需要控制、抑制“水合反应”难度很大，因此现在RUBYCON建议采用相对低一些含水量的XYJ系列替代ZLH系列。我国高压铝电解电容器现状经过多年的节能灯用高压铝电解电容器应用实践和改进，国内高压铝电解电容器的寿命已经得到和大提高，很多铝电解电容器制造商已经可以制造出105/10000小时产品，可以满足3 万小时以下的LED应用状态的驱动电路寿命。或者是分离式LED驱动电路的应用中基本满足LED寿命要求。但是，尚不能满足5万小时寿命的LED状态的驱动电路的需求。尽管如此，高压铝电解电容器还是迈出通向满足LED应用要求的第一步。国内已经有铝电解电容器制造商推出5万小时LED寿命的高压铝电解电容器。低压铝电解电容器的现状LED驱动应用中的低压铝电解电容器要求具有尽可能低的ESR、超长寿命、超长时间的电容量稳定性。目前国内大多数铝电解电容器制造商（包括我国台湾地区的铝电解电容器制造商）多数为105/50006000小时，对应LED应用状态，大约为12万小时，这个小时数远不能满足 LED驱动要求。高压电解电容器与低压电解电容器寿命差异所产生的冲突在LED驱动电路中，决定寿命的是寿命最短的元器件。因而即使高压铝电解电容器的寿命问题得到解决，而低压铝电解电容器寿命得不到解决，最终LED驱动电路的寿命还是短的。所以105/1万小时低压铝电解电容器成为LED驱动电路中的关键。那么，为什么低压铝电解电容器的长寿命就那么难？低压铝电解电容器存在的问题低压铝电解电容器存在的最大问题就是因“水合”反应导致早期失效。最闻名的低压铝电解电容器因“水合”反应的事件有： 戴尔电脑主板铝电解电容器“爆浆”，戴尔赔偿客户3亿美元，而铝电解电容器制造商赔偿戴尔20亿美元！这款铝电解电容器是日本著名电容器制造商的产品。 三星视频终端在英国世界杯的铝电解电容器“爆浆”，电容器制造商最终被三星电子从采购目录中删除。这是我国某著名铝电解电容器制造商的产品；该产品还导致了一些不大不小的因“水合”反应导致的铝电解电容器早期失效。造成用户严重的经济损失被索赔。水合反应的后果水合反应会在铝电解电容器的负极箔表面形成电阻率非常高的铝水合物。随着铝水合物的增长负极箔的电阻越来越大，在纹波电流作用下电解电容器的发热就会更加剧烈，最终导致铝电解电容器爆浆。如果是多个电容器并联使用，会出现首先第一个爆浆，不久就是第二个、第三个水合反应堆解电容器爆浆的特点ESR数千倍的增加、电容量丧失殆尽、负极箔比容急剧降低、在显微镜下看会发现负极箔的“孔”基本被堵塞。将电解电容器拆解会看到至少是负极箔与电容器纸相粘连，甚至整个正负极箔与电容器纸相粘连。有些电解电容器制造商回复客户时也说上述问题，但是说是客户使用温度高造成，不承认是电容器的品质问题。负极箔比容下降：材料分析：取解剖的正负铝箔，测试铝箔耐压值。1000F/16V：正箔耐压下降为19.32V（SPEC22.0V），比容为 52.49F/cm2（49.82SPEC59.36F/cm2）；负箔耐压正常为1.74V（SPEC1.5V），比容下降为250 F/cm2（SPEC340 F/cm2）。由于用户没有办法将水合反应的早期失效作为电解电容器早期失效的证据向电解电容器制造商索赔。只有通过第三方测试电解电容器存在早期失效问题才能作为电解电容器早期失效证据向电解电容器制造商索赔。如何鉴别早期失效？将可疑的电容器置于额定温度、额定电压、额定纹波电流条件下测试，如果没有达到厂商规定的寿命小时数（通常差距很大）就可以判定是早期失效。需要注意的是电解电容器的出厂批号一定和出问题是同一批次。常有电解电容器制造商在不同的批次用不同的电解液来改善水合反应问题。“水合”反应是影响低压铝电解电容器寿命的最大障碍为什么低压铝电解电容器会出现“水合”反应？这是由于低压铝电解电容器应用的特殊性：主要应用领域：开关电源输出整流滤波，电脑主板电源旁路，LED驱动电路的输出整流滤波。电脑主板、开关电源、LED驱动对低压铝电解电容器的特性要求：尽可能低的ESR，由于电解液电导率的限制，常规低压铝电解电容器的ESR不可能做得极低。为了实现极低的ESR，最简单的办法就是提高电解液的含水率，含水率越高越有可能导致“水合”反应的早期失效，大家电容器制造商绞尽脑汁抑制高含水率电解液电解电容器的“水合”反应，这也是低压铝电解电容器技术壁垒之一。不仅如此，制造高含水率电解电容器时需要极其严格的控制整个制造过程，稍有不慎，就会导致产品的“水合”反应的早期失效。甚至最早掌握抗“水合”反应的日本电解电容器制造商也很回避高含水率电解电容器。通常使用较低含水率的新款替代高含水率的电解电容器。采用新技术来实现真正的超长寿命低压铝电解电容器低压电解电容器要想实现105温度条件下万小时级，从产品质量控制和产品一致性角度考虑，应避开高含水率电解液。转而采用其它高新技术。主要有高品质的较低含水率的电解液、新型腐蚀箔结构及其相关技术；严格的生产质量管理，如生产环境的洁净度、避免氯离子进入生产环节（如生产操作者呼吸排出的氯离子等）、如何避免水分进入电解电容器的芯子等通过上述新技术、新材料和先进的生产管理措施的实施，采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器完全可以获得105/1万小时的寿命。如RUBYCON的YXJ系列和我国的LKF系列。我国生产的LKF系列性能参数与RUBYCON的YXJ系列参数除体积稍大外，其他参数是一样的，甚至某些参数还超过RUBYCON的YXJ系列的参数。完全可以替代RUBYCON的YXJ系列。相对于高含水量电解液的低压铝电解电容器，新型较低含水量的低压铝电解电容器的性能差一仅仅在于ESR稍大。例如同样是470F/25V规格，RUBYCON的ZLH系列高含水率铝电解电容器的ESR仅为39m，而较低含水率的YXJ系列低压铝电解电容器的ESR为80m。对于 470F/25V规格的80mESR在应用上是没有问题的，没有必要非用39m。问题的解决通过采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器解决了低压、低阻铝电解电容器因 “水合”反应所导致的早期失效问题。彻底避开因抗“水合”反应技术与工艺导致的产品价格的提高；确保了产品的一致性和稳定性。在超长寿命的低压铝电解电容器系列中。较低含水率低压铝电解电容器的价格要低于高含水率低压铝电解电容器。5万小时的LED驱动使用寿命彻底解决了因铝电解电容器寿命问题而导致的LED灯寿命明显低于LED寿命的问题，彻底解决了铝电解电容器这块影响LED驱动寿命的短板。二、电解电容器在LED驱动电路中的位置与作用电解电容器的特点电解电容器是各类电解电容器中最便宜的，因此常应用于需要足够电容量的单相整流滤波和DC/DC变换器或AC/DC变换器输出滤波电容器。LED驱动电路实际上是开关电源的特例，也就是需要限压恒流的开关电源。由于LED照明需要散热器，因此LED驱动电路往往需要做成隔离型变换器。对于小功率LED驱动电路，为了降低成本，往往做成反激式开关电源。如果将驱动电路与LED做在一体，驱动电路将工作在高温状态，需要各元件能够承受高温。LED寿命很长，可达数万小时，驱动电路也应满足这个要求，影响LED驱动电路的关键元件是电解电容器。相对节能灯电容器，体积要小。小体积需要具有更高品质的铝箔、电解液，体现了铝电解电容器制造核心技术的提升。三、LED驱动电路需要的电容器的特性LED驱动电路中需要电解电容器的地方为： 输入整流滤波 输出整流滤波 控制IC电源旁路3.1 输入整流滤波输入整流滤波电容器的作用： 平滑输入整流电压 吸收来自整流电路产生的纹波电流 吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流 平滑输入电压将输入整流滤波电压平滑到平均值的20%（交流176V整流后为200V，40V的纹波电压峰-峰值）需要1F/W的电容量，如此大的电容量在低成本要求下只有电解电容器能满足要求。 来自整流电路产生的纹波电流在滤波电容器的电容量选择1F/W时，对应的滤波角频率为15.2弧度/秒。在整流滤波电容器的特性曲线上可以得到：流过电容器的电流几乎为整流输出平均值电流的约3倍！是交流输入电流有效值的约1.5倍。或者以输出功率计算约为7mA/W。考虑效率等综合因素，可以近似为10mA/W也可以近似理解为每位法电容量需要约10mA的工频纹波电流。除此之外，输入整流滤波电容器还要吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流 来自LED驱动电路产生的纹波电流一般小功率LED驱动电路多采用反激式变换器电路拓扑，并且在220V电压等级时为电流断续型。在这种状态下，反激式变换器向整流输出索取的电流是断续的锯齿波，其交流成分需要有滤波电容起吸收，按占空比为0.4计算。每输出 1W功率需要10mA有效值电流。综合考虑，每F需要约15mA 有效值电流。3.1输出整流滤波反激式变换器的输出整流滤波电容器也将流过比较大的电流。从稳定性角度考虑，也需要比较大的电容量。这就要求输出整流滤波电容器不仅需要比较大的电容量，还要具有比较大的纹波电流承受能力。对输出整流滤波电容器的要求足够的电容量电容量过低会导致反激式变换器变得不稳定。很显然电解电容器是最佳的选择；足够的纹波电流承受能力，要求电容器具有极低的ESR。如果采用电解电容器就需要选用极低ESR电解电容器。输出滤波电容器流过的电流正常设计出来的反激式变换器，输出整流二极管导通的占空比约为0.5，对应的滤波电容器流过的电流为输出电流平均值的120%。就是说输出1A平均值电流，滤波电容器就要流过1.2A的有效值电流。3.2控制IC电源旁路电容器控制IC电源旁路电容器同样要求具有LED应用状态的5万小时寿命，其中电容量的稳定性是至关重要的，关系到控制IC的电源电压是否平滑，以尽可能的减少对LED驱动电路输出的影响。尽管这款电解电容器的电容量不大，体积很小，也没有多大的纹波电流流过。但是却需要长期稳定的电容量。特别是小体积更不利于超长寿命特性。四、LED专用的长寿命电解电容器日本RUBYCON推出ZLH、YXJ系列低压电解电容器和BXA、BXC系列高压长寿命电解电容器，直径10mm的电解电容器可以达到105/1万小时。按理论推算，在75环境下可以达到8万小时。考虑其他影响因素，达到75/5 万小时寿命没有问题，这就与LED寿命相吻合。影响LED驱动电路的最后一块短板被去掉了，也许就不一定非要无电解电容器的LED驱动电路了。我国是否也有长寿命电解电容器？我国电解电容器制造商推出LKF、LKG系列高、低压LED专用长寿命电解电容器。与RUBYCON的寿命对比实验结果如下：高压电解电容器寿命实验的测试条件实验条件：温度：125；直流电压：351.0VDC；交流电压34.6VAC；纹波电流：88mA；电源：50HZ。实验目的：耐久试验验证寿命时间。试验时间：2010.4.7 15:20-2010.8.18 13:30（2500H）终止。对105电解电容器做125高温寿命测试，很显然这是一个加速实验的方法。6.8F/400V高压电解电容器寿命试验数据低压电解电容器的寿命测试实验条件：温度：105；直流电压：21.0VDC；交流电压：2.8VAC；纹波电流：665mA；电源：120HZ。实验目的：耐久试验验证寿命：试验时间： 2009.10.10 13：00-2010.12.20.15:30（10000H）终止。结论国产6.8F/400V /10*17 LKG电解电容器与Rubycon：6.8/400 10*16 BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105/1万小时。国产470F/25V/10*17mm的LKG电解电容器与Rubycon：470F/25V/10*16mm 的BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105/1万小时。除尺寸稍大一点点外，国产长寿命电解电容器可以用于长寿命LED驱动电路中。基于多年的技术和研发的基础，国产铝电解电容器制造商已经推出与RUBYCON体积相同、性能相同的替代产品。RUBYCON电解电容器的发展RUBYCON的 ZLH系列低压电解电容器的ESR极低，是高水系电解电容器，需要非常好的抗水合反应制造技术，当然其价格也会比较高。因此RUBYCON新推出YXJ系列低ESR电解电容器，是非高水系电解电容器，这样可以避免高水系电解液带来的水合反应控制的难度，同时也降低成本。然而所带来的问题就是ESR要比 ZLH系列高近一倍，而且与国产LKF、LKG系列的水平基本一致。RUBYCON的高压BXA系列由于含水量高，建议使用BXC系列。但是BXC系列的损耗因数将略大于BXA系列。这就是长寿命电解电容器的可靠性与高性能之间的折中结果。同时低压的YXJ也是ZLH的替代产品，这些都体现了高含水率逐渐被新工艺材料、新制造技术的常规含水铝电解电容器所替代。这对于我国电解电容器制造商来说是个机遇，应该抓住这个机遇，发展出我国的长寿命LED驱动电路驱动用电解电容器。集成ESD保护提升HB-LED的寿命和质量随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管（HB-LED）的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电（ESD）保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的VidyaPremkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。引言：演进曲线之外的威胁绿光和蓝光LED的商业化，再结合近年来实现的每个器件平均光输出稳步快速的提升，为固态照明开启了大量新的应用市场。HB-LED的价格和性能已经超越海兹定律（Haitzs Law）（类似于针对晶体管密度的摩尔定律）；根据这个定律，LED的光输出等级每2年会翻倍，平均每流明光输出的成本每10年会降低10倍。事实上，LED的光输出现在每18个月（甚至更短时间）就翻倍，如今市场上已有光效达到120 lm/W的器件，而领先的实验室甚至都演示了光效达200lm/W的LED。HB-LED的光输出能力和成本大幅改善的同时，也跟当今先进集成电路（IC）一样，容易因ESD而遭受严重损伤。IC制造商已经将ESD损伤确定为CMOS器件现场可靠性的一项主要威胁，它可能损害品牌形象并妨碍市场接受新技术。为了避免这个情况，业界积极努力用后续新工艺节点来优化集成ESD保护架构，虽然这项工作很少（如果有的话）受到媒体的关注。同样地，领先的HB-LED制造商也将ESD确定为固态照明的一项显著威胁，并与ESD专家协作制定适合的保护措施。当总光输出增加提供了令人兴奋的题材，众多有效的ESD保护措施也应运而生，并被知名制造商并入到已在市场销售的HB-LED之中。易受ESD损伤将蓝宝石衬底和制造绿光和蓝光发射器时使用的外延集成在一起，结果使得器件与红光LED等相比更易受到ESD损伤。由于蓝宝石衬底是纯绝缘体，生产期间加工器件时会累积大量的静电电荷。此外，外延层跟红光LED制造过程中使用的外延层相比，往往更易遭受ESD损伤，很可能就是因为制造过程带入瑕疵等效应引起的。在CMOS器件中，制造期间发生的ESD操作可能在投入现场应用之前仍然还未被发现，使得应用现场可能会发生未预料到且成本高昂的故障。LED遭受ESD损伤的常见后果有如裸片表面出现暗点，这会导致LED光输出下降，并可能使LED灯泡没用多久就出现故障。LED制造期间的高ESD损伤率会损及量产良率，并实际导致良品的价格升高。由于HB-LED的长工作寿命是固态照明相对于传统照明的一项重要优势，HB-LED有效的ESD保护显然必不可少。如果LED模块中不含适合的保护，客户工程师可能需要在电路板级应用分立保护，这在物料单（BOM）成本和印制电路板（PCB）空间等方面可能造成损失，而且板级ESD保护远不足以为LED裸片提供保护。在封装中集成有效的ESD保护是一种更合意的途径，受到了当今众多HB-LED制造大厂的青睐。ESD保护可以应用为LED发射器裸片旁边的额外裸片，或在更紧凑的布局中用作上面粘接LED发射器裸片的次级贴装（submount）或侧面贴装（sidemount）。集成保护业内出现了下面两种集成ESD配置。图1所示的侧面贴装配置将瞬态电压抑制器（TVS）二极管应用在与LED发射器裸片相同的封装内，二极管可以使用线绑定或倒装芯片技术来连接，因应具体应用要求而定。额定ESD等级因裸片尺寸不同而不同，通常介于8 kV至15 kV人体模型（HBM）之间。图2显示了如何在LED和引线框之间应用硅次级贴装来更紧密地集成ESD保护。这种构造使LED外形尺寸更紧凑；次级贴装替代侧面贴装LED模块中使用的传统衬底，提供的ESD保护等级超过15 kV HBM。硅次级贴装的良好热传导性也帮助LED缓解由于LED与引线框热膨胀系数不同导致的应力。这两种途径都符合多种顶部及背部镀金工艺以适应大多数制造要求，如带顶层铝涂层（AuAl， CuAl）选择、提供更高反射率的金或铜工艺，以及金或金锡（AuSn）背金工艺选择。保护性能集成ESD保护二极管阵列的最关键参数包括低动态电阻（Rdyn）和低输入电容（Cin），这样ESD保护器件就能够快速地响应ESD尖峰，并耗散大多数电流，从而避免LED裸片损伤。安森美半导体的ESD保护技术产品在次级贴装保护器中提供仅在0.2至0.4等级的极低动态阻抗。安森美半导体的次级贴装保护器件本质上比竞争产品提供更佳的动态电阻，这在ESD等瞬态事件期间转化为更低及更好的钳位电压，LED或LED串相应地受到更高水平的保护。此外，次级贴装保护器也提供浪涌保护，这在LED暴露于电源浪涌或雷电尖峰的应用中非常重要。大多数固态灯模块都包括串联连接的共用封装HB-LED裸片。在白光LED（WLED）光源中，通常就采用这种方法来提供高总光输出。用于背光应用或营造特殊效果的灯中，LED阵列可能包含红光、蓝光和绿光裸片，支持混色，微调LED发射出的色彩。由于每个LED都有3.5 V左右的有限正向压降，包含大量LED的模块可能要求施加高直流电压。安森美半导体的侧面贴装和次级贴装ESD保护制造工艺可以调节用于6V至110V之间的击穿电压，故适用于具有任意可行长度的LED串。顶金和底金工艺提供不同的组合和成分；侧面贴装和次级贴装也具备不同的封装选择，从倒装芯片到顶部和底部（topand bottom）等，不一而足。不论是哪种类型的贴装，都适用多种选择和配置：在LED串两端并联连接一个TVS二极管提供规定的ESD保护等级（见图3a），而在LED串两端串联相向连接的二极管对（图3b）使灯制造商能够在生产期间施加反向偏置测试，识别出并隔离次品模块，从而防止流向客户。更复杂的二极管阵列为包含多颗LED的LED串中的每个LED提供并联连接的相向二极管对，使灯模块能够持续工作 即使其中有个别LED发生开路故障。总结HB-LED除了高能效和小尺寸，其预计长寿命周期被证实是固态照明巨大成功的重要诱因。多种色彩的HB-LED，特别是白光以及绿、蓝和红光的HB-LED，为设计人员开通了康庄大道，更好的发展高能效背光灯、街灯、内部照明、任务灯、电子标志和汽车刹车灯及头灯等应用。由于不同制造商的HB-LED规格可能有很大不同，全面理解HB-LED采用的ESD保护途径为提供最优的现场使用寿命带来很大好处。每个原设备制造商（OEM）在封装、工艺技术和材料成分方面都有一套特定的标准，故应当加以考虑。因此，为了获得所需的优化性能参数，设计人员需要深入合作的供应商不应局限于提供少数不同LED保护方案，而是可以提供宽广选择范围、支持作出最佳匹配的供应商。大功率、长寿命LED照明系统解决方案由于拥有更高的效率与更长的使用寿命，LED的使用日益普及。因此，供电电源需要具有更高效率，至少要有与LED相同的使用寿命。美国国家半导体公司提出了一款解决方案，能够确保效率达到90%并拥有超长的使用寿命。就THD（总谐波失真）而言，欧洲标准EN61000-3-2对功率损耗超过25W的照明装置有严格限制。此外，这些照明装置需要满足功率因数要求。为此，需要包含有源PFC（功率因数校正），以确保输入电流与输入电压吻合。下文将讨论LED驱动器满足这些要求的工作原理，并对AC/DC降压转换器如何高效地驱动30只同串的高亮度LED进行说明。此外，本文还将给出另外一种实现方法的结构示意图，即采用隔离式AC/DC电源及一款具有动态余量控制的LM3464。通过避免电磁干扰，该方案具有极高效率。简介LED正越来越广泛应用于照明改造、工业照明、商业照明、街道照明以及其它众多领域，其效率以及使用寿命已经得以证实，为提供更高可靠性，它需要一个良好的电源以满足其需求。我们的第一个方案是由两级构成：一个前端PFC与一个LM3445 LED驱动器。图一给出了结构框图，该方案无需电流隔离并提高了工作效率。总系统效率更多地取决于AC/DC隔离变压器。反激式PFC虽然经济，但效率很难超过85%。在第一个方案中，在散热装置和LED之间使用绝缘胶层或陶瓷层进行隔离，由于变压器无须隔离，其效率变得更高。图1，结构图该电源的主要目的是将整流AC输入转换为DC稳压电流，以下是一个优化示例，示意在350mA电流下如何驱动功率达到35W的30个高亮度白光LED。该电源为LED提供了保护，限定了瞬态输入电压，并在热插拔时避免了电流浪涌。总的电源一致性（电源母线谐波（EN），电源母线干扰，国际安全标准等）全部符合欧洲标准（EN）。下面是一个使用镇流器对35W的T8管进行替换的示例，见图2。在LED串开路、短路或过载的情况下，可以保护镇流器以免发生故障。它确保了任何元件都不会在故障下过热或烧毁，以确保设计的稳定性。图2，使用镇流器时35W的T8灯管进行替换。镇流器与T8的主要特点如下： 适用于欧洲输入电压范围，但可以进一步扩展到从85VAC265VAC的更宽范围。 PF为0.98 输出电流为350mA 输出电压为100V20%（取决于LED VF） 母线谐波符合EN61000 - 3 - 2 C类标准要求 电磁干扰（导电性）符合EN55022 标准要求 电磁干扰（辐射）符合现行EN55022 标准要求 效率为87% 符合现行安全标准要求 被动冷却方式 温度范围-20 C+65 C 使用聚合物电容器延长寿命 使用共享电流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的欧司朗T8管。第一级PFC大多数基本的AC/DC电源在输入线路中都会产生谐波失真且功率因数较差，因此很难满足欧洲标准EN - 61000 - 3 2的要求。该解决方案使用PFC电路，使输入电流波形与输入电压波形同样为正弦波波形。对于镇流器产品，则符合欧洲EN - 61000 - 3 - 2C类标准。该标准适用于所有的照明产品，包括有源输入功率大于25W的调光设备。PFC作为升压转换器，在临界导通模式下运行。它提供了一个相对稳定的输出电压（380VDC），作为LED驱动器输入电压。LED驱动器作为恒定电流控制降压转换器，将更适用于整流输入电压。由于LED驱动器具有更高输入纹波，在380 VDC环境中将用较小电容。由于故障率较高，为保持长久的使用寿命，不允许使用电解电容器。这种镇流器使用EPCOS薄膜电容器来替代电解电容，根据内部指标对所有组件的额降值加以限定，这最大限度地减小了故障率，延长了整个系统的使用寿命。第二级是LED驱动器 ， 选用了LM3445恒流控制器。LM3445是一个具有自适应恒定关断时间的AC/DC降压恒流控制器，兼容三端双向可控硅开关（TRIAC）调光与脉冲宽度调制（PWM）信号。LM3445为大功率LED照明提供了恒定的电流值，调光解码器允许更宽范围的LED调光。图3 详细地示意了LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。该周期可划分为几个不同阶段，曲线如下：1.闭合阶段2.导通阶段3.断开阶段4.断开阶段，能量转移至负载图3，LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。该LED驱动器采用恒定关断时间控制，通过一串LED调节电流。当MOSFET导通时，通过电感器的LED电流增加，直到达到由参考电压和电流检测电阻限定的峰值为止。达到该峰值电流后，MOSFET关断，同时二极管在Toff期间导通。为驱动更多的LED，进行了一些改进，包括成功串接了60只LED。在输出功率为70W时，其总效率可达92%，通过并联其他LM3445可以驱动多串LED（每串30只），但将需要更多电缆，以连接LED 。图4，采用多串LED的解决方案。另一种方法如图 4 所示 。其中主电源一侧的输出电压低于60V，这符合UL1310标准Class 2对最高电压的限制要求。当隔离系统中要求限定次级电压时，唯一的选择是多串LED。在次级，LM3464是一款多通道LED驱动控制器。作为线性稳压器，每个LM3464最多可控制四个外部功率N-MOSFET，因此，能够控制多串LED，而每串可串联多达15个LED。每通道最大的平均电流值可达500mA，图 4 示意了LM3464如何控制绝缘AC/DC 初级离线电源，通过LM3464发出的指令可以对Vo动态调整从而使通过每个线性稳压器的电压值保持最低。Vo的调节基准是参考电压最高的LED串通道。即使每通道的驱动电流达350mA，LM3464的功率效率也可超过95%。图1和图4的一个重要区别在于LM3464无需新的开关频率，这对于控制EMI而言极为重要，因为随着总功率的增加EMI会越来越难以控制，而 唯一的开关噪声来自于AC/DC部分。结论本文讨论了驱动更多数量LED的不同方法。第一个解决方案使用PFC作为标准的升压装置以驱动一个有隔离散热装置的LED串（30只） ，这对于需要多串多数量LED的设计工程师来讲是一个极具吸引力的选择。示例着重于LED的更换，LED灯管的详细信息可以根据需求提供。如果设计正确，除了高能效以外，LED灯管和镇流器都有很长的使用寿命。对于传统的照明装置来讲，维护费用一直是一笔很大的开销，而使用LED灯管能将维护费用降至最低。第二个解决方案使用一个一次电源和动态余量控制的多通道线性稳压器。工程师想给每串LED串配备一个专属电源，但是在每个LED串中使用降压调节器会出现问题。对于他们来讲，这个解决方案确实极具吸引力。该LM3464提供了一个体积更小，价格更便宜，使用更简单的选择，同时保持高功率效率、高可靠性和极佳的电磁兼容性能（EMC）。如何改善LED散热性能由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射，假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板，则反射板会借鉴光线，使光线的抽取量急速锐减。因为这个，不可少想办法减低LED芯片的温度，换言之，减低LED芯片到烧焊点的热阻抗，可以管用减缓LED芯片降低温度效用的负担。相关LED的运用生存的年限，例如改用硅质封装材料与瓷陶封装材料，能使LED的运用生存的年限增长一位数，特别是白光LED的闪光频谱包括波长低于450nm短波长光线，传统环氧气天然树脂封装材料极易被短波长光线毁伤，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，依据业者测试 最后结果显露 蝉联点灯不到10，000小时，高功率白光LED的亮度已经减低二分之一以上，根本没有办法满意照明光源长生存的年限的基本要求。到现在为止有两种延长组件运用生存的年限的对策，作别是，制约白光LED群体的温升，和休止运用天然树脂封装形式。不过，其实大功率LED 的发卡路里比小功率LED高数十倍以上，并且温升还会使闪光速率大幅下跌。具体内部实质意义作别是：减低芯片到封装的热阻抗、制约封装至印刷电路基板的热阻抗、增长芯片的散热顺利通畅性。想办法减损热阻抗、改善散热问题相关LED的闪光速率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水准。有鉴于此美国Lumileds与东洋CITIZEN等照明设施、LED封装厂商，一个跟着一个研发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN在2004年着手着手制作白光LED样品封装，不必特别结合技术也能够将厚约23mm散热装置的卡路里直接排放到外部，依据该CITIZEN报导固然LED芯片的结合点到散热装置的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，并且在普通背景下室温会使热阻抗增加1W左右，纵然是传统印刷电路板无冷却风扇强迫空冷状况下，该白光LED板块也可以蝉联点灯运用。相关闪光特别的性质平均性，普通觉得只要改善白光LED的荧光体材料液体浓度平均性与荧光体的制造技术，应当可以克服上面所说的围困并搅扰。因为增加电力反倒会导致封装的热阻抗急速降至10K/W以下，因为这个海外业者以前研发耐高温白光LED，打算借此改善上面所说的问题。固然硅质封装材料可以保证LED的40，000小时的运用生存的年限，不过照明设施业者却显露出来不一样的看法，主要争辩是传统电灯泡与日光灯的运用生存的年限，被定义成“亮度降至30百分之百以下”。亮度减半时间为四万钟头的LED，若换算成亮度降至30百分之百以下的话，大约只剩二万钟头左右。普通觉得假如彻底执行以上两项延寿对策，可以达到亮度30百分之百时四万钟头的要求。因为这个，松下电工研发印刷电路板与封装一体化技术，该企业将1mm正方形的蓝光LED以flip chip形式封装在瓷陶基板上，继续再将瓷陶基板粘附在铜质印刷电路板外表，依据松下报道里面含有印刷电路板顺德led显示屏在内板块群体的热阻抗约是15K/W左右。所以Lumileds与CITIZEN是采取增长结合点容许温度，德国OSRAM企业则是将LED芯片设置在散热装置外表，达到9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM以往研发同级产品的热阻抗减损40百分之百。值当一提的是该LED板块 封装时，认为合适而使用与传统办法相同的flip chip形式，然而LED板块与散热装置结合乎时常，则挑选最靠近LED芯片闪光层作为结合面，借此使闪光层的卡路里能够以最短距离传导排放。以往LED 业者为了取得充分的白光LED 光柱，以前研发大尺寸LED芯片 打算藉此形式达到预先期待目的。如上增长给予电力的同时，不可少想办法减损热阻抗、改善散热问题。然而，其实白光LED的给予电努力坚持续超过1W以上时光柱反倒会减退，闪光速率相对减低2030百分之百。换言之，白光LED的亮度假如要比传统LED大数倍，耗费电力特别的性质逾越日光灯的话，就不可少克服下面所开列四大课题：制约温升、保证运用生存的年限、改善闪