LED照明应用亟待解决的几大关键性技术问题

固态LED照明的形势越来越光明，其应用领域在全球范围内不断扩大，包括室内外照明、汽车内部、电视与监视器、手机与其它消费电子产品的背光，甚至汽车大灯。

　　据市场调研公司Strategies Unlimited的LED市场研究总监Ella Shum，去年全球封装高亮度LED销售额大增93%，达到108亿美元。其增长主要来自电视和监视器以及移动设备的背光。

　　Shum指出，尽管目前全球对于把固态LED光源用于照明很感兴趣，但高亮度LED市场去年在总体销售额中仅占8%。但她预计，2010-2015年高亮度LED照明领域将增长39%左右。

　　ElectroniCast Consultants最近公布的市场研究报告认为，去年美国消费的LED灯泡价值4.85亿美元。该公司预测，以2015年该数字将达到16.4亿美元(图1)。

　　LED照明优缺点

　　LED比其它类型光源更受青睐，原因并不神秘。据美国能源部的固态照明研究与开发计划，与高强度气体放电(HID)灯泡、荧光灯管和节能灯(CFL)、卤素灯和白炽灯相比，LED具有更高的效能和更长的寿命。

　　一只冷白光LED的最大效能是132流明/瓦(l/W)，而白炽灯只有区区的15流明/瓦，二者的寿命分别为5万与1千小时。而LED照明所使用的功耗只是白炽灯的20%，这在全球都日益重视节能的今天是非常重要的优点。

　　但价格较高是其缺点。飞利浦AmbientLED A19替代灯的成本约为40美元，而白炽灯则不超过1美元。LED的长奉命与节能优点，可以弥补这种缺点。预计到明年，二者的成本差距将缩小到目前的四分之一。

美国能源部估计，如果所有的人都改用固态照明，那么到2020年，所节省下来的电力可以满足3200万个家庭的需求。LED已经节省的电能，相当于25万个家庭的用电量。

　　另外，LED输出水平已经达到150流明/瓦，而且还在继续上升。几家LED厂商生产的高亮度LED，可以提供颜色范围较宽的照明。例如，Cree公司生产的LR6筒灯，采用了获得专利的颜色混合方法，所发出的光可以媲美白炽灯，但功耗要比白炽灯减少85%，而寿命是它的50倍(图2)。

　　作为替代白炽灯的节能产品，LED灯泡的效能水平不断改善，价格下降。例如，LEDtronics PAR系列LED灯泡比白炽灯节能90%(图3)。

　　这些LED灯泡可以使用120V交流电，也可以在90-290V交流电范围内调光，采用爱迪生中等螺口灯座和G824针插式灯泡，包括PAR20(7W)、30(12W)和38(15W)多种类型。据称这些产品的能效比上一代LEDtronics PAR灯泡高20%，可以直接替代功率高达100W的白炽灯和卤素灯。

　　LED灯泡购买成本只是总体拥有成本中的一个因素，后者不仅涉及较低的能源成本，而且还有较低的维护与更换成本。桑迪亚国家实验室估计，今天的LED照明是白炽灯灯泡终生拥有成本的两倍，是荧光灯拥有成本的10倍。但该实验室同时预测，到2020年，LED照明的拥有成本将是白炽灯的10分之一，是荧光灯的二分之一。

　　各企业和组织希望每年能在能源成本上面节省数以万计的美元，这是推动照明方式向LED转变的主要力量。许多商场、店铺、办公室和大楼内外装饰，都在转向LED。桥梁、隧道、公路、街道、停车场、舞台和机场也在纷纷采用LED照明。

　　从事设计、开发、制造与销售高效率LED解决方案的Lighting Science Group报告称，正在忙于在上述场所安装其高性能与超高效率的灯，如Definity MR16系统。在Simon Property Group的商场摊位，这些灯正在用于替换原来的卤素灯。该公司表示，其完全可调光Definity产品的效率比卤素灯高80%，光输出比许多其它光源高50%。

　　LED设计者与用户面临的一个挑战是，光源与驱动电路之间没有标准化接口。欧洲的Zhaga联盟发起了一场全行业的行动，为LED光引擎开发标准的规范。LED光引擎是拥有规定接口的LED模组，而这些接口与光引擎内部使用的LED技术类型无关。

　　Zhaga将使不同厂商生产的产品个有互换性。通过为各种专用光引擎定义接口，就可以实现互换性。Zhaga标准将涵盖物理尺寸，以及LED光引擎的光学、电气与热性能。

优化驱动器设计

　　驱动LED是一项复杂任务。这是因为LED照明的应用可能发生改变。效率与颜色准确度等性能参数会受到LED驱动方式的极大影响。德州仪器照明电源产品部策略营销总监Peter DiMaso解释道：“LED驱动方式可以影响效能、色温和色移(由发热导致)以及闪变效应。”

　　德州仪器C2000微控制器单元(MCU)营销总监Patrick Carner认同这种看法。他也指出，德州仪器宣称其Piccolo MCU可以用于LED驱动器解决方案，允许设计者“进一步深入数字电源控制所使用的硬件和软件”。该公司的C2000 dc-dc LED照明开发者工具显示出，驱动单一或多个共享功率极所需要的正确电源拓扑(图4)。

　　德州仪器C2000系统与应用工程部门的Brett Larimore指出：“妨碍设计者使用LED的一个主要因素是如何处理软件，而Piccolo控制工具简化了所有这一切。它一步一步地让你了解整个设计流程。”

　　利用高电流和低堆叠电压来驱动LED，并且需要满足能源之星和Lighting Facts Label要求以及欧洲标准，成为一种挑战。Lighting Facts Label是由美国能源部与环境保护署(EPA)共同制订的。一种对策是使用较少的LED元件，以更高的电流来驱动，以获得更高的光输出水平。

　　使用较少的LED，意味着可以降低产品成本，但未必有利于改善EPA所要求的效率水平。实际上，效率水平倾向于下降，人们在早期A19和E27灯泡的改装应用中注意到这种情况。电源效率水平太低。

　　随着输出光水平提高，LED驱动变得更加复杂。根据Haitz定律，对于给定的光线波长(颜色)，封装LED的单位流明成本每10年下降10倍，每个LED封装产生的光量则提高20倍。随着光输出不断提高，封装LED的有效性在某些应用中(对于1千米左右的住宅照明和10千米左右的商业照明)将变得更加有限。

　　虽然今天的技术能够轻松满足这些LED的需要，但在未来几年，LED将限制在特殊应用领域，而且商业意义有限，除非LED驱动技术与热管理方面的技术创新得到极大发展。在这方面，固态照明产业正在取得令人瞩目的稳步进展，但未来几年能否保持这个走势，仍需拭目以待。

　温度过高是LED杀手

　　当以较高的电流驱动的时候，LED的表现处于变化之中。较高的电流不仅带来较高的输出流明，而且会显著提高温度使之远高于LED所处的环境温度。有人估计70%的LED效能以热量形式散发了，必须通过传导或对流来消除热量。这与LED想要取代的传统白炽钨丝灯泡形成鲜明对比。

　　据国家半导体的资深开发总监Jeff Perry，100W白炽灯泡的效率只有2.2%，而市场上质量最好的LED效率只有30%左右。但是，白炽灯的大部分热量通过红外辐射方式散发。LED则不是这样，它需要利用散热器和风扇控制热量。温度越高，意味着寿命越短和可靠性下降(图5)。

　　缓解这个问题需要从多方面入手，既要改善LED性能，同时也要改进驱动器电路设计。电源管理IC厂商正在为固态照明开发效率更高的LED驱动电路。

　　早期固态照明产品所使用的老式LED驱动器拓扑，主要是对原有电压调节方案的修改，在今天的LED中已难以见到。另外，用于固态照明的LED都是专用的。例如，A19/PAR型改装灯泡使用的LED不同于胜于街道照明和MR16应用的LED。认识到这点，LED厂商现在提供专用LED元件。

　　新型LED驱动器更加复杂先进。它们能够感知驱动电流水平，能够在电流超过建议水平时加以调节。它们也能够补偿发热与老化导致的变化，保证稳定的光输出。而且它们的热保护电路可使过热造成的LED损害程度降到最低，更好地防止LED因过热而失效。

　各大厂商的设计方案

　　国家半导体的LM3464和LM3424驱动器采用了一种热管理方式，通过降低输出来调节电流，使LED保持在最大工作温度范围之内。国家半导体还推出了LM3445 LED驱动器，以满足欧洲EN61000-3-2标准，该标准对功率超过25 W的照明产品的总谐波失真规定了严格的限制(图6)。为了达到功率因数校正(PFC)要求，该驱动器使用PFC来使输入电流与输入电压保持同相。

　　意法半导体HVLED 805的离线LED驱动器具有初级感测反馈(图7)。这种高电压PWM电流模式控制器，把一个低电压PWM控制器与一个800V功率MOSFET组合在一个微波的SO16N封装(8.75- by 3.99-mm)之中。它使用交流电源工作，精度在±5%以内，并提供准谐振零电压开关功能。它面向E27和GU10改装灯。

　　安森美半导体的CS5171 LED驱动器IC提供较高的效率，而且可由高于或低于LED电压的电源供电。它的单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑允许其充当dc-dc升压调节器。该芯片工作频率为260 kHz，效率约为65%，输入电压是4.0-V。

　　IC驱动器也可以用于越来越多的背光应用这中，包括电视、笔记本电脑、手机和其它消费电子产品。Advanced Analogic Technologies的AAT14xx系列31-mA单通道升压LED驱动器，它能驱动一串多达10个LED。AAT14XX 具有1.15 x 1.55 mm的晶片级封装 (WLCSP) 尺寸。据该公司介绍，AAT14XX 系列提供10管脚 WLCSP 封装，尺寸比1.3- by 2.9-mm 的SOT23包装小80%，比2- by 2-mm 的QFN 包装小55%。

　　Microsemi Corp.最近宣布了一款参考设计，能够使成本较低的液晶面板产生质量更高的图像。该设计利用了索尼的CXD473063定时与照明控制器，以及Microsemi公司面向3D液晶电视的DAZL! LED驱动器技术。Microsemi公司的双芯片解决方案包含DAZL! 2000系列32端口LX24232逻辑芯片，以及8端口LX23108L LED驱动器电源芯片。

　　驱动成串LED，比如照明应用中每串多达20甚至更多的LED，可能出现问题。一只LED发生故障就会导致整串熄灭。对于这个问题，Bourns LSP系列分流器可以保护LED灯串中的单个LED。

　制造良率是关键

　　LED在固态照明领域得到越来越广泛的采用，在大型晶圆上面制造LED并取得较高的良率，是降低其成本的关键。目前的多数LED是在基于GaN的2英寸和4英寸蓝宝石晶片上面生产出来的，存在良率不一致的问题，因此需要对颜色亮度、前向电压和其它产变量进行检测并根据结果分档。

　　加上装配与封装步骤，LED成本就会升得更高。目前的普遍良率是30%甚至更低。实际上，专家预计2020年以前都达不到40%或者更高。

　　LED制造商计划未来几年向6英寸晶圆过渡，随后是8英寸晶圆，采用良率较高的外延MOCVD工艺。通过严格控制温度、回流和材料成分，可以做出那么大的晶圆。LG电子去年开始在6英寸晶圆上面生产LED。Philips Lumileds和Lextar也接近做到这点。有些公司将于明年生产8英寸晶圆样品。

        “如果LED产业将来继续增长，动力一定是来自普通照明领域，”欧洲光电产业联盟(EPIC)秘书长Tom Pearsall表示，“而且这有赖于所有方面持续取得重大进展，涉及从基础研究和材料一直到产品的设计与制造效率。”EPIC是一个非营利组织，致力于在欧洲推广和发展LED产业。