LED照明應(yīng)用家用市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

LED在商業(yè)照明應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可和接受，并開(kāi)始逐漸滲透到家用照明領(lǐng)域，夏普、東芝、松下、NEC、歐司朗等公司都推出了各自的家用LED照明產(chǎn)品。但是，高昂的價(jià)格以及器件可靠性、效率、散熱設(shè)計(jì)等技術(shù)挑戰(zhàn)制約了LED照明在家庭應(yīng)用中的普及，因此，如何突破價(jià)格壁壘，解決以上技術(shù)難題成為半導(dǎo)體廠商首先必須面對(duì)的問(wèn)題。高效、節(jié)能、環(huán)保、高壽命等特點(diǎn)使得LED成為近年來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用之一。

成本是LED進(jìn)入家用市場(chǎng)的最大障礙

與商業(yè)照明應(yīng)用相比，龐大的消費(fèi)群使得LED家庭照明市場(chǎng)極受關(guān)注，但家用市場(chǎng)對(duì)于成本極其敏感，這導(dǎo)致其發(fā)展速度緩慢。Maxim公司HB LED產(chǎn)品線業(yè)務(wù)經(jīng)理Piero Bianco指出，“制約LED照明進(jìn)入家庭應(yīng)用的關(guān)鍵因素是成本。為了與其它技術(shù)(熒光燈是其最主要的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品)爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，LED燈具的價(jià)格必須控制在10至15美元以下。”德州儀器(TI)高級(jí)技術(shù)市場(chǎng)開(kāi)拓工程師劉學(xué)超對(duì)此也有認(rèn)同，“雖然LED的成本在逐步降低，但和傳統(tǒng)CFL節(jié)能燈相比，還有一定價(jià)格差距?！?

LED燈泡的高成本主要來(lái)自三個(gè)方面，包括大功率LED光源、LED的控制芯片以及為實(shí)現(xiàn)良好散熱而采用的燈泡外殼材料。通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)器成本是減少整個(gè)LED系統(tǒng)成本的有效方法之一。據(jù)Maxim公司的Piero Bianco介紹，利用單級(jí)變換驅(qū)動(dòng)器，直接采用交流電源供電，能夠有效降低成本。另一種途徑是盡可能在驅(qū)動(dòng)器中避免使用電解電容，因?yàn)長(zhǎng)ED燈的工作溫度較高，必須選用高級(jí)電解電容才能維持足夠的驅(qū)動(dòng)電路使用壽命。因此，如果驅(qū)動(dòng)器中不需要使用電解電容，也會(huì)節(jié)省相應(yīng)的成本。該公司已經(jīng)推出了一款單級(jí)變換、無(wú)需電解電容的LED燈驅(qū)動(dòng)方案。

無(wú)疑，技術(shù)水平的提高將有助于推動(dòng)LED照明在家庭中的成功應(yīng)用。高亮度LED的發(fā)光效率在過(guò)去幾年中已得到巨大提升，隨著發(fā)光效率、使用壽命、可靠性等的不斷提升，LED照明的市場(chǎng)吸引力和應(yīng)用價(jià)值將會(huì)不斷提高，在家庭中的采用率也將因此而逐步提高。除了價(jià)格之外，要想產(chǎn)品真正在家庭市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力，高亮度LED照明解決方案還必須提供可調(diào)光的選擇。通過(guò)增加調(diào)光功能，以便用戶根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)燈的亮度，也有助于降低功耗。?

可靠性和散熱設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)

進(jìn)行LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，工程師必須應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在保持極高可靠性同時(shí)降低成本。安森美半導(dǎo)體照明及智能電網(wǎng)市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān)鄭樂(lè)康表示，為降低家用LED照明系統(tǒng)的成本，設(shè)計(jì)工程師往往傾向于使用較低等級(jí)的元件，如更低額定溫度的電容或精度更低的電阻。如果在家用LED照明系統(tǒng)的電子驅(qū)動(dòng)器部分使用較低額定溫度的電容，而這些額定溫度較低的電容很可能在使用幾年(3到5年)后失效。那么，最后的局面將會(huì)是LED照明系統(tǒng)中LED本身的壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)(15到20年)，但電子驅(qū)動(dòng)器由于可靠性問(wèn)題僅能存續(xù)3到5年。因此，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)不能以犧牲可靠性為代價(jià)，并應(yīng)確保電子驅(qū)動(dòng)器的可靠性和壽命與LED的可靠性和壽命匹配。

良好的散熱管理和高效驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)高效LED照明系統(tǒng)的重要保障，“否則將有可能造成系統(tǒng)可靠性降低、光衰甚至產(chǎn)品失效。對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分而言，高效的熱管理同樣是必需的，通過(guò)提升轉(zhuǎn)換效率可以減少損耗，從而減少熱量的產(chǎn)出。從控制器的設(shè)計(jì)到組件的選擇都需要注意?！?**聚積科技LED照明產(chǎn)品線項(xiàng)目副經(jīng)理蘇醒強(qiáng)調(diào)。散熱處理不當(dāng)將會(huì)加速亮度衰減，進(jìn)而降低產(chǎn)品的亮度與使用壽命。此外，由于LED照明的工作環(huán)境比較惡劣(雷擊、高溫等)，提高LED驅(qū)動(dòng)電源的效率和可靠性成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

從傳統(tǒng)普通照明轉(zhuǎn)向LED照明還必須滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的高品質(zhì)要求。立琦科技高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理廖光彬認(rèn)為，“LED照明的需求與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品對(duì)電源的要求不同，因此，專門為L(zhǎng)ED照明而開(kāi)發(fā)的電源設(shè)計(jì)方案顯得非常有必要。這些需求包括定電流輸出、支持Triac調(diào)光、單輸入多串輸出的設(shè)計(jì)、低輸出功率高PF值、全新的架構(gòu)以滿足高功率低成本要求等?！?

Intersil高級(jí)應(yīng)用工程師Tamara Schmitz表示，“消費(fèi)者要求設(shè)計(jì)具有至少達(dá)到90的功率因數(shù)和超過(guò)80％的效率。在直流應(yīng)用中，最大輸入電壓可超過(guò)約40V。在交流應(yīng)用中，輸入電壓可能是120V或240V(最大277V)。高亮度LED必須通過(guò)運(yùn)行在120Hz頻率的PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以盡可能減少任何可見(jiàn)的干擾。有時(shí)還需改變頻率。除了這些設(shè)計(jì)上的限制，根據(jù)應(yīng)用的不同，可以采用隔離和非隔離設(shè)計(jì)?！币虼?，沒(méi)有一種適合所有應(yīng)用的解決方案。每個(gè)解決方案都是根據(jù)LED數(shù)量和通過(guò)LED的電流專門定義的。根據(jù)磁性元件、所選的功率元件和輸出電容器的變化，必須對(duì)解決方案做出調(diào)整。?

LED驅(qū)動(dòng)器IC需實(shí)現(xiàn)高效率和可調(diào)光

與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源不同，LED驅(qū)動(dòng)電源需要考慮散熱、效率和調(diào)光等問(wèn)題，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)器IC提出了許多不同的要求。Power Integrations(PI)公司資深產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Bill Weiss指出，“AC/DC驅(qū)動(dòng)器IC的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是高可靠性、高效率、高功率因數(shù)、可調(diào)光以及小尺寸。”

據(jù)Maxim的Piero Bianco介紹，LED應(yīng)用對(duì)于AC/DC驅(qū)動(dòng)器IC提出了兩個(gè)關(guān)鍵要求，這也正是它們與傳統(tǒng)電源IC的區(qū)別。首先，利用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)光非常復(fù)雜，需要專用的成熟技術(shù)。無(wú)閃爍調(diào)光是驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)所面臨的重大挑戰(zhàn)，目前還很難找到能夠達(dá)到這一要求的方案；其次，與電源電路不同，由于LED照明時(shí)功耗較大，LED驅(qū)動(dòng)器必須工作在高溫環(huán)境下。開(kāi)發(fā)能夠在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期工作的驅(qū)動(dòng)器是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)特殊要求。

Maxim開(kāi)發(fā)的交流輸入(120VAC和230VAC)照明方案采用單級(jí)變換結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)LED，該方案可以通過(guò)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)亮度并且不會(huì)出現(xiàn)閃爍，由于不需要使用電解電容，可以得到更小的外形尺寸，并有助于延長(zhǎng)使用壽命。器件可以配制成隔離(反激型)和非隔離(buck)架構(gòu)，功率因數(shù)優(yōu)于0.9。

安森美半導(dǎo)體最新推出的NCL30000是一款功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高功率因數(shù)(＞0.95)，因而省下一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換段。典型應(yīng)用包括LED嵌燈、LED驅(qū)動(dòng)器電源/驅(qū)動(dòng)器及TRIAC可調(diào)光基于LED的燈泡替代。該器件兼容于前沿TRIAC及尾沿晶體管調(diào)光器。根據(jù)所使用調(diào)光器的不同，LED輸出可控制到低于2%。

Intersil最熱門的HB LED驅(qū)動(dòng)器ISL6745A具備可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率、可調(diào)軟啟動(dòng)、過(guò)熱保護(hù)和精確調(diào)節(jié)的“死區(qū)時(shí)間”，可以用于隔離或非隔離，以及可調(diào)或不可調(diào)光應(yīng)用。

TI 新推出的TPS99210是一顆帶PFC功能的LED驅(qū)動(dòng)芯片，采用固定ON-TIME時(shí)間級(jí)聯(lián)型Flyback架構(gòu)實(shí)現(xiàn)5W～90W功率LED驅(qū)動(dòng)，同時(shí)帶可控硅調(diào)光，適用A19/E27、GU10、PAR30/38等隔離LED驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。TPS92010是TI聯(lián)合Lemnis Lighting推出的一款完整LED照明驅(qū)動(dòng)器參考板，有助于解決成本、調(diào)光以及效率三大問(wèn)題。這款TPS92010 LED燈參考板采用TI通用LED照明半導(dǎo)體技術(shù)以及Lemnis Lighting可調(diào)光照明應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，可幫助加速節(jié)能型LED燈泡燈管的推廣。

AXElite策略營(yíng)銷部項(xiàng)目經(jīng)理蘇壬穗則表示，未來(lái)大功率LED驅(qū)動(dòng)IC將朝著高集成度SoC、多芯片封裝的方向發(fā)展，除穩(wěn)定性與低功耗之外，還應(yīng)擁有實(shí)現(xiàn)一致性亮度的恒定電流技術(shù)、集成亮度調(diào)整功能的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，針對(duì)室內(nèi)照明的耐高壓特性等。此外，驅(qū)動(dòng)器輸出獨(dú)立，可有效防止過(guò)熱問(wèn)題；數(shù)字軟啟動(dòng)功能；逐周期電流限制；短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及過(guò)熱偵測(cè)也是其必備的基本功能。

LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)還需要設(shè)計(jì)工程師在眾多技術(shù)參數(shù)中進(jìn)行平衡，反復(fù)權(quán)衡性能并作出決策。為此，PI提供了一套豐富的參考設(shè)計(jì)庫(kù)并通過(guò)在線電源設(shè)計(jì)工具支持全面的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化，幫助設(shè)計(jì)工程師加快其產(chǎn)品的上市速度。