优化LED灯泡的工作寿命的关键

    LED 需要电路驱动器将标准的交流电压转换为可使用的直流电流与电压。

　　为使LED灯泡兼容标准的灯口，且不牺牲其工作寿命，设计人员必须以某种不会增加灯泡潜在故障机制的方式，将驱动电路与灯泡整合到一起。

　　驱动电路要将高的交流电压转换为低的直流电压，因此必需做电气隔离。一种方案是采用实时波形分析，通过隔离变压器初级端检测LED电流，这样，无需来自输出端的直接反馈，就可以保持对LED串的严格恒流调节。

　　驱动LED的两步方案是在前面用一个升压转换器，为调光器提供所需要的负载阻抗（减少可能造成损坏的浪涌电流），并且使输入电流与线路电流同相，从而提高了电路的整体功率因数。

　　全球各地政府都出台了要求白炽灯逐步退市的规定，这推动了向固态照明技术的转变。LED照明较传统方式有明显的优势，尤其是LED灯泡提高了每瓦流明性能，而降低了每流明的成本。

　　LED技术与被替代的传统白炽灯相比，主要好处是更长的工作寿命，以及更低的每瓦小时工作成本。比起相对脆弱的白炽灯和荧光灯，固态照明技术的坚固性是对消费者的重要卖点。白炽灯的典型寿命大约是1000小时（参考文献1）。而LED灯泡号称有5万小时以上的工作寿命（参考文献2），同时在等效光输出下，功耗只有前者的约20%.

　　但是，如果设计者不采取一些必要的预防措施，LED照明就可能无法向消费者兑现约25年无需更换灯泡的承诺。LED及其驱动电路的复杂性与可靠性（还必须与传统调光技术兼容）都是设计者必须考虑解决的问题，这样才能获得最长的LED照明系统工作寿命。

　　LED正常工作要求有恒定的直流电流，且电压远低于整流后的交流线电压，因此需要将标准交流电压降低到可用电平的驱动电路。要使LED灯泡与标准灯口兼容，设计者必须将驱动电路集成在灯泡内。如果处理不当，这种整合就会增加LED灯泡发生机械故障的可能性。

　　以往的LED灯泡驱动器都需要大量外接元件、高价的隔离元件，以及特殊的设计策略，以防止关键元件出现长期老化问题（如电解电容）。现在，驱动电路的整合使灯泡更容易产生可靠性问题，如早期失效或使MTTF（平均无故障时间）率下降。

　　MTTF 是对首次出现故障时间的量度值，通常以电路中每种元件的FIT率（每10亿小时故障率）计算得出。由于驱动电路要将大交流电压（100Vac/220V ac）降低到可为LED供电的一个dc电压，因此出于安全考虑要做电气隔离。

　　在典型的电气隔离AC/DC转换器中，会用一个分立的光隔离器（或光耦）提供从次级端到初级端控制器的反馈，它将一个电信号转换为光信号，使该信号通过光障，然后再转换回电信号（图1）。因为光耦的FIT率高于半导体元件，因此就降低了整个电路的MTTF指标。

　　另外，由于老化的影响，光耦的电流传输率可能会随时间和温度而改变。这种变动会影响到电源的回路稳定性，缩短LED驱动电路的寿命。虽然很多LED灯和灯具可以工作在高的PCB温度下，但设计者必须消除这些薄弱环节，才能获得更长的寿命。

　　图2显示了iWatt公司的初级端数字控制技术PrimAccurate.这种专利方案采用实时波形分析，通过隔离变压器初级端来检测LED电流，而不需要来自输出端的直接反馈，同时保持了对LED串的严格恒流调节。

　　该技术的另一个好处是内部反馈回路补偿，它简化了设计，减少了外接元件的数量，尤其是不需要光耦这种有最高FIT率的元件，提高了LED驱动电路的可靠性，因此改善了灯泡的整体可靠性。‖

　　今天生产的LED灯泡还必须与家庭中现有的照明技术反向兼容。调光器提供了家居的气氛照明，而LED照明做白炽灯替代品的一个好处就是可以方便地调光，比荧光灯更有效地符合白炽灯泡的特性。

　　不过，要支持调光功能，LED驱动器需控制多个因素，包括调光器检测、兼容性，以及光闪烁等。为了优化照明系统的工作寿命，在与LED驱动器一起使用调光器时，一个关注点是耐用性。

　　典型的A 型白炽灯泡是纯阻性的。当用调光器来控制普通A型灯泡的亮度时，调光器上的负载也是纯阻性的，通过调光器的是恒定电流，可以控制。

　　而LED驱动器实际上是一个电流源，其输入端对调光器来说，有高的容性，在上电时，会出现一个巨大的浪涌电流为容性负载充电，然后才稳定到一个低得多的电流水平。这个浪涌电流可能损坏标准调光器，必须减小这个电流，以避免损及调光电路的寿命。

　　调光器浪涌问题的一个解决方法是采用一种两级方案来驱动LED,而不采用直接的反激转换器方法，因后者有高的容性输入阻抗。在两级方案中，初级用于将阻抗提升到一个可控水平，从而降低浪涌电流，为调光器提供所需要的安全与保护。

　　iWatt公司的iW3616 LED驱动器（图3）就采用了两级方案，它有一个双重功能的初始升压转换器：首先，为调光器提供所需的负载阻抗，减少浪涌电流；其次，使输入电流保持与电源电流相同的相位，以提高整个电路的功率因数。这种方案不仅能够延长调光器的寿命，而且也可以产生高的功率因数。iW3616中提供初级端控制的数字块包含检测算法，几乎能与市场上所有现成调光器一起配合使用。同一算法还控制着升压转换器，优化电路的动态输入阻抗，以改善功率因数，并降低浪涌电流。

　　在优化LED灯泡工作寿命时，还有一个同样重要的考虑因素，这就是LED本身的预期寿命。与所有半导体元件一样，LED的工作结温越高，其预期寿命就越短。电解电容也有预期寿命，同样取决于工作温度。

　　一种方案是降低LED的额定驱动电流，以及简单地用多只LED来产生特定的光输出量，这样单只LED上发热较少，因此降低了结温。这种方法可延长灯泡工作寿命，但换得的是更高的方案成本，因为需要更多的LED.此外，它还无法适应外部因素，例如灯具的物理尺寸特性，发热量可能超过预期。

　　另一种方法是优化LED的最大电流，即设立一个最高结温，超过则会触发LED电流的下降，以避免老化。现有数字LED驱动控制器实现了一个两级保护机制，设计者用一只外接器件就可以设定最高LED温度。LED结附近放一个NTC（负温度系数）电阻做温度监测器。NTC电阻连接到LED驱动IC上，用温度反馈器件来保护LED.

　　图3中的iW3616采用了一只NTC器件来保护LED灯泡中的LED.如果LED结达到了NTC元件所设定的最大温度阈值，则控制器以10%的间隔减少LED电流，直到温度稳定为止。如果温度降下来了，则LED电流以相同的反向10%步长，逐步回到其最大设定值，并有适当的迟滞量以防止振荡。如果发生重大故障事件，失效恢复模式可将通过LED的电流降低到预设输出电流的1%.这种过热保护结构为LED灯泡提供了设计的灵活性，极端工作条件下仍会为灯泡提供完全的保护，设计者不必再担心这类问题。

　　LED已经发展到成本与光输出可与其它竞争方案相匹敌的阶段，LED照明正在努力地成为家居白炽照明的实用替代品。这一新技术的成功关键是驱动器的实现。要确保LED真正具有号称的长工作寿命，除了设计人员都在努力优化的效率和成本参数以外，其它因素也非常关键，如温度、调光控制与可靠性等。

责任编辑：YQL 来源：电子技术设计