LED发光效率迈大步 固态照明应用前景光明
2011-10-02 来源：中国LED网
随着led发光效率的提升，固态照明发展也更趋蓬勃。为使LED固态照明更具成本效益，业者除要设法提升LED每瓦所产生的流明量，并整合光、机、电、热等各领域专业知识外，亦须采用具高效率、低成本的固态照明驱动器，以打造最佳解决方案。
过去10年来，发光二极管(LED)的制造商在提升LED功能上快速进展。业界了解到提升LED效能是固态照明(Solid State Lighting, SSL)特别重要的唯一衡量标准。而现有的解决方案都不具有经济效益，使得LED制造商会特别关注LED每瓦能产生的流明(Lumen)量，甚至是每1块钱所产生的流明量，因此必须整合热能、光学、LED和电子学设计专门知识，以建立最佳的解决方案。
电力电子和集成电路(IC)制造商在交流对直流(AC-DC)和直流对直流(DC-DC)电压管理的拓扑设计已有30年的经验。虽然固态照明光源设计和电压管理应用不同，但技术学习和电力电子制造专家们都已准备就位。市场上早期的固态照明产品，其LED驱动器拓扑一直在改良目前电压的调控方案。交流和直流LED驱动器各有特别的需求，激励产业发展针对固态照明驱动器市场具备高效率、可靠性和成本效益的解决方案。
固态照明主要和次要的光学系统，是须要进行成本与效能优化的另一部分。比起LED与电子产品，次要的光学组件所造成流明的损失极小，但仍有改善的必要，而业界也正持续改进。
减少LED数量以降低成本
为使固态照明灯具能得到最大采用，最终解决方案须比现有光源更具备成本效益，而LED是固态照明解决方案物料清单(BOM)中最贵的组件。因此，固态照明制造商了解最容易降低系统成本的方法是减少系统中LED数量，所以促成了LED制造商发展更高效率、流明度更高的LED。由于电力电子和电源IC是非常成熟的产业，而且其制造过程都经过优化，因此仅能节省极小的成本。 能源之星认证影响很大
美国政府推出“能源之星”的认证标章，旨在保护消费者并确保发行到市场上照明产品的质量。能源之星的基本要求就是终端产品须达到最小流明/瓦(W)。固态照明改良型灯泡更换设计要求流明/瓦的范围在每瓦40～50流明之间。有能源之星认证的实验室可透过产品终端应用之标准化程序指针，测试制造商提交的产品，实验室会检测流明且记录输入功率，可了解产品能否达到能源之星的要求。
为期盼固态照明能获大众采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的进步。其中，光学业界把流明损耗最小化，同时提高产品的光学功能；至于电力电子和IC制造商则一直进行LED驱动器系统的优化，共同致力于固态照明发展。
照明系统设计面临严峻挑战
随着照明制造商慢慢减少系统所需的LED数量，所面临的问题也正逐渐浮现。虽然减少LED数量曾经对销售有帮助，但却也带给业界一个无法预见的技术挑战。此问题是在A19/E27改良型灯泡上市后，才第一次被各界所注意到。
假设当系统里LED数量减少和LED的流明输出增加时，LED驱动器的效率就会提高，或者至少跟过去的设计类似，然而，却无法实现，到底是哪里出问题呢？以下将藉由其规格要求的趋势演进进行说明。
电路功率损耗增加 系统稳定性成隐忧
60瓦固态照明白炽灯改良型灯泡要求包括，115VAC(±20％)的输入电压、十个LED串联 (31～36伏特)的输出电压、800流明输出、350毫安(mA)LED顺向电流、12.6瓦最大输出功率、 目标功率85％、美国联邦通讯委员会(FCC)等级B、符合UL8750、寿命大于5万小时和系统工作温度50℃。
而现今的趋势是增加LED顺向电流，即更高功率，并减少系统内的LED数量。期望的规格改变包括五个LED串联(15～17伏特)输出电压、700毫安LED顺向电流、800流明输出、11.9瓦最大输出功率及目标效率85％。
虽然输出功率降低且效率参数维持在85％，但仍希望每瓦流明量能更大。而现实中，转换器效率下降非常大，导致每瓦的流明减少，所以须要更为注意的是电路内功率损耗已增加，这带来一些设计和稳定性方面的问题，不仅造成能否符合能源之星认证的疑虑，由于还须要附加散热片或包装材料，因此成本也将随之增加。
功率损耗随组件/系统规格变化
能量转换阶段内的损耗可以包括传导、切换与静态损耗三类。LED驱动器内的所有硅装置和被动组件都有电阻，电流通过电阻传导会产生IRMS2×R的功率损耗。选用不同质量和类型的组件，如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、二极管及电磁组件，产生的耗损将随系统规格不同而变化。
切换损耗发生在当MOSFET或二极管被开启，其他的MOSFET或二极管却被关闭的过渡时期。由于一个转换器在200kHz频率下工作比在100kHz时的切换损耗多一倍，所以须要评估对操作切换频率间的折衷方案。在较高频率的切换所允许的电感系数比较低，而在特定的规格下传导损耗可能也会较低(较低的RDCR)。此外，静态功率损耗和内部电路的功率也有所关系。
总体来说，类似的LED驱动器设计，也许可以得到一样的输出功率(Pout=Iled×Vled-stack)，但这取决于系统内的电流、电压以及组件类型；系统的效率也会有很大的不同。
图1为典型的脱机式(AC to Iled)改良型固态照明灯泡电路，其中，各条件的定义及驱动器功率耗损计算方式，描述如下：
D=负载-周期=
D，，，，，，，，=(1-D)
FSW=切换频率
Q4启动时的切换损耗→
Q4传导损耗→
D4传导损耗是→
L3电感器传导损耗→
现在所有主要功率损耗都已计算出来，可计算出系统总效率。可用以下方程式表示：
看到功率损耗方程式后，可对固态照明应用中的堆栈电压和电流迅速作出的假设，透过降低LED数量并增加系统电流，流明输出就可符合规格要求，但效率可能会降低。因此，应该要进行详细的分析以充分理解设计的折衷和功率损耗，但须分析几点因素，找出系统效率降低的原因。首先包括电感器L3的传导损耗会随着LED顺向电流的增加而增加；其次，如果LED顺向电流增加，飞轮二极管的切换损耗也会增加；第三，相对于MOSFET开启时，在飞轮二极管D4传导时，其经由减少堆栈电压就可增加时间比例，高压(HV)二极管比在MOSFET传导损耗更大，因此，系统中的电力损耗会增加；第四，在增加LED电流的情况下，主开关MOSFET Q4上的传导损耗会增加。
规格、成本还有功能皆是达到成功设计的关键，而这些都须从系统层级来因应。业界正研发兼具功率和成本效益的LED驱动解决方案，包括LED堆栈电压(和输入电压关系极小的设计)。因此，固态照明系统设计发展已出现明确的方向。
已有业者分析过很多实验室里不同驱动的配置后，得知较高的顺向电流、较少的LED数量导致客户在申请能源之星认证标章时，增加很多的困难。LED制造商知道只关心单颗LED效率是片面且不够的，必须了解LED在市场上如何被使用，从而配置好LED来协助达到具体固态照明解决方案的优化才是上策。而用在改良型A19/PAR灯泡上的LED，与应用在街灯上及MR16上的LED大相径庭，经由和不同领域的专业设计团队合作，LED制造商已为终端应用开发出一些特定的LED。
从系统层级考虑设计 LED应用效能大跃进
LED制造商已开始开发LED应用的特定产品。其中科锐(Cree)推出的MX-6S LED是从旧型MX-6 LED进行重新配置，此专用LED的优点已在改良型灯泡应用中得到认可。
原来的MX-6 LED在一个模块里有六个平行的LED灯源，每个LED都产生150毫安，总电流高达1,000毫安，此LED的顺向电压为3.2～3.6伏特。
而MX-6S LED内的两个封装LED是串联在一起的。这串组的顺向电流高达115毫安，一个MX-6S封装LED的顺向电压是在19～22伏特。此封装内的简化LED配置如图2所示。
图2 MX-6与MX-6S的LED配置图
MX-6和MX-6S的LED是一样的，设备的外壳也是相同。这两个LED的唯一区别是其内部焊接架构不同。这个单变项允许对A19固态照明灯泡应用中LED堆栈电压与普通的LED驱动进行非常好的效能分析。
MX-6/MX-6S比较分析
在对LED堆栈电压和电流间的分析有几个目的和标准，包括用不同的LED配置，以在一个固态照明改良型灯上，进行普通LED驱动器的优化；记录功率损耗及关键组件温度；在比较此设计和其他设计时，记录所有的成本优势；用效能、实际成本、产能这些衡量指针做参考，建立驱动器和LED配置建议等目的与标准。
因此，只须用一套便宜的光流量测试系统，就可在两个设计中调整LED电流，以获得一个特定的照明输出。进而比较产品的相关功能，藉此可考虑由温度造成的流明损耗及其实际系统的变项。此外，所有的变项都要小心控制，把误差最小化，如使用的PAR灯、测量设备、机械设计、散热器和热平衡等。
MX-6设计(图3)为六组串联MX-6 LED，每个LED是133流明/瓦，电流是600毫安。表1则为MX-6的规格说明。
图3 MX-6结构设计图
图4 MX-6S结构设计图
过去10年来，发光二极管(LED)的制造商在提升LED功能上快速进展。业界了解到提升LED效能是固态照明(Solid State Lighting, SSL)特别重要的唯一衡量标准。而现有的解决方案都不具有经济效益，使得LED制造商会特别关注LED每瓦能产生的流明(Lumen)量，甚至是每1块钱所产生的流明量，因此必须整合热能、光学、LED和电子学设计专门知识，以建立最佳的解决方案。
电力电子和集成电路(IC)制造商在交流对直流(AC-DC)和直流对直流(DC-DC)电压管理的拓扑设计已有30年的经验。虽然固态照明光源设计和电压管理应用不同，但技术学习和电力电子制造专家们都已准备就位。市场上早期的固态照明产品，其LED驱动器拓扑一直在改良目前电压的调控方案。交流和直流LED驱动器各有特别的需求，激励产业发展针对固态照明驱动器市场具备高效率、可靠性和成本效益的解决方案。
固态照明主要和次要的光学系统，是须要进行成本与效能优化的另一部分。比起LED与电子产品，次要的光学组件所造成流明的损失极小，但仍有改善的必要，而业界也正持续改进。
减少LED数量以降低成本
为使固态照明灯具能得到最大采用，最终解决方案须比现有光源更具备成本效益，而LED是固态照明解决方案物料清单(BOM)中最贵的组件。因此，固态照明制造商了解最容易降低系统成本的方法是减少系统中LED数量，所以促成了LED制造商发展更高效率、流明度更高的LED。由于电力电子和电源IC是非常成熟的产业，而且其制造过程都经过优化，因此仅能节省极小的成本。 能源之星认证影响很大
美国政府推出“能源之星”的认证标章，旨在保护消费者并确保发行到市场上照明产品的质量。能源之星的基本要求就是终端产品须达到最小流明/瓦(W)。固态照明改良型灯泡更换设计要求流明/瓦的范围在每瓦40～50流明之间。有能源之星认证的实验室可透过产品终端应用之标准化程序指针，测试制造商提交的产品，实验室会检测流明且记录输入功率，可了解产品能否达到能源之星的要求。
为期盼固态照明能获大众采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的进步。其中，光学业界把流明损耗最小化，同时提高产品的光学功能；至于电力电子和IC制造商则一直进行LED驱动器系统的优化，共同致力于固态照明发展。
照明系统设计面临严峻挑战
随着照明制造商慢慢减少系统所需的LED数量，所面临的问题也正逐渐浮现。虽然减少LED数量曾经对销售有帮助，但却也带给业界一个无法预见的技术挑战。此问题是在A19/E27改良型灯泡上市后，才第一次被各界所注意到。
假设当系统里LED数量减少和LED的流明输出增加时，LED驱动器的效率就会提高，或者至少跟过去的设计类似，然而，却无法实现，到底是哪里出问题呢？以下将藉由其规格要求的趋势演进进行说明。
电路功率损耗增加 系统稳定性成隐忧
60瓦固态照明白炽灯改良型灯泡要求包括，115VAC(±20％)的输入电压、十个LED串联 (31～36伏特)的输出电压、800流明输出、350毫安(mA)LED顺向电流、12.6瓦最大输出功率、 目标功率85％、美国联邦通讯委员会(FCC)等级B、符合UL8750、寿命大于5万小时和系统工作温度50℃。
而现今的趋势是增加LED顺向电流，即更高功率，并减少系统内的LED数量。期望的规格改变包括五个LED串联(15～17伏特)输出电压、700毫安LED顺向电流、800流明输出、11.9瓦最大输出功率及目标效率85％。
虽然输出功率降低且效率参数维持在85％，但仍希望每瓦流明量能更大。而现实中，转换器效率下降非常大，导致每瓦的流明减少，所以须要更为注意的是电路内功率损耗已增加，这带来一些设计和稳定性方面的问题，不仅造成能否符合能源之星认证的疑虑，由于还须要附加散热片或包装材料，因此成本也将随之增加。
功率损耗随组件/系统规格变化
能量转换阶段内的损耗可以包括传导、切换与静态损耗三类。LED驱动器内的所有硅装置和被动组件都有电阻，电流通过电阻传导会产生IRMS2×R的功率损耗。选用不同质量和类型的组件，如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、二极管及电磁组件，产生的耗损将随系统规格不同而变化。
切换损耗发生在当MOSFET或二极管被开启，其他的MOSFET或二极管却被关闭的过渡时期。由于一个转换器在200kHz频率下工作比在100kHz时的切换损耗多一倍，所以须要评估对操作切换频率间的折衷方案。在较高频率的切换所允许的电感系数比较低，而在特定的规格下传导损耗可能也会较低(较低的RDCR)。此外，静态功率损耗和内部电路的功率也有所关系。
总体来说，类似的LED驱动器设计，也许可以得到一样的输出功率(Pout=Iled×Vled-stack)，但这取决于系统内的电流、电压以及组件类型；系统的效率也会有很大的不同。
图1为典型的脱机式(AC to Iled)改良型固态照明灯泡电路，其中，各条件的定义及驱动器功率耗损计算方式，描述如下：
图1 关闭线路(AC至ILED)的改良型固态照明灯泡优化电路图
D=负载-周期=
D，，，，，，，，=(1-D)
FSW=切换频率
Q4启动时的切换损耗→
Q4传导损耗→
D4传导损耗是→
L3电感器传导损耗→
现在所有主要功率损耗都已计算出来，可计算出系统总效率。可用以下方程式表示：
看到功率损耗方程式后，可对固态照明应用中的堆栈电压和电流迅速作出的假设，透过降低LED数量并增加系统电流，流明输出就可符合规格要求，但效率可能会降低。因此，应该要进行详细的分析以充分理解设计的折衷和功率损耗，但须分析几点因素，找出系统效率降低的原因。首先包括电感器L3的传导损耗会随着LED顺向电流的增加而增加；其次，如果LED顺向电流增加，飞轮二极管的切换损耗也会增加；第三，相对于MOSFET开启时，在飞轮二极管D4传导时，其经由减少堆栈电压就可增加时间比例，高压(HV)二极管比在MOSFET传导损耗更大，因此，系统中的电力损耗会增加；第四，在增加LED电流的情况下，主开关MOSFET Q4上的传导损耗会增加。
规格、成本还有功能皆是达到成功设计的关键，而这些都须从系统层级来因应。业界正研发兼具功率和成本效益的LED驱动解决方案，包括LED堆栈电压(和输入电压关系极小的设计)。因此，固态照明系统设计发展已出现明确的方向。
已有业者分析过很多实验室里不同驱动的配置后，得知较高的顺向电流、较少的LED数量导致客户在申请能源之星认证标章时，增加很多的困难。LED制造商知道只关心单颗LED效率是片面且不够的，必须了解LED在市场上如何被使用，从而配置好LED来协助达到具体固态照明解决方案的优化才是上策。而用在改良型A19/PAR灯泡上的LED，与应用在街灯上及MR16上的LED大相径庭，经由和不同领域的专业设计团队合作，LED制造商已为终端应用开发出一些特定的LED。
从系统层级考虑设计 LED应用效能大跃进
LED制造商已开始开发LED应用的特定产品。其中科锐(Cree)推出的MX-6S LED是从旧型MX-6 LED进行重新配置，此专用LED的优点已在改良型灯泡应用中得到认可。
原来的MX-6 LED在一个模块里有六个平行的LED灯源，每个LED都产生150毫安，总电流高达1,000毫安，此LED的顺向电压为3.2～3.6伏特。
而MX-6S LED内的两个封装LED是串联在一起的。这串组的顺向电流高达115毫安，一个MX-6S封装LED的顺向电压是在19～22伏特。此封装内的简化LED配置如图2所示。
图2 MX-6与MX-6S的LED配置图
MX-6和MX-6S的LED是一样的，设备的外壳也是相同。这两个LED的唯一区别是其内部焊接架构不同。这个单变项允许对A19固态照明灯泡应用中LED堆栈电压与普通的LED驱动进行非常好的效能分析。
MX-6/MX-6S比较分析
在对LED堆栈电压和电流间的分析有几个目的和标准，包括用不同的LED配置，以在一个固态照明改良型灯上，进行普通LED驱动器的优化；记录功率损耗及关键组件温度；在比较此设计和其他设计时，记录所有的成本优势；用效能、实际成本、产能这些衡量指针做参考，建立驱动器和LED配置建议等目的与标准。
因此，只须用一套便宜的光流量测试系统，就可在两个设计中调整LED电流，以获得一个特定的照明输出。进而比较产品的相关功能，藉此可考虑由温度造成的流明损耗及其实际系统的变项。此外，所有的变项都要小心控制，把误差最小化，如使用的PAR灯、测量设备、机械设计、散热器和热平衡等。
MX-6设计(图3)为六组串联MX-6 LED，每个LED是133流明/瓦，电流是600毫安。表1则为MX-6的规格说明。
图3 MX-6结构设计图
MX-6S设计(图4)为六个LED排成的3×2模块，其总输出电流是270毫安，每线路是90毫安，每个LED是～133流明/瓦，电流90毫安。表2为MX-6S的规格说明。
图4 MX-6S结构设计图
热能分析与系统可靠性不可忽视
LED驱动器固定在一个塑料外壳内，再放进一个普通的PAR38铝制装置内。驱动器和LED都是按照典型模式装在一个PAR38改良型灯泡内。MX6S的电流是600毫安，此设计一开始是六个串连的MX-6 LED排列配置。电解电容器、主开关场效应晶体管(FET)、主整流器二极管和输出电感会附上一个热电偶(Thermocouples)。而MX-6S分析则使用相同的设置/灯泡，重新配置六个MX-6S LED。表3、4则分别为MX-6与MX-6S数据一览。
LED驱动器固定在一个塑料外壳内，再放进一个普通的PAR38铝制装置内。驱动器和LED都是按照典型模式装在一个PAR38改良型灯泡内。MX6S的电流是600毫安，此设计一开始是六个串连的MX-6 LED排列配置。电解电容器、主开关场效应晶体管(FET)、主整流器二极管和输出电感会附上一个热电偶(Thermocouples)。而MX-6S分析则使用相同的设置/灯泡，重新配置六个MX-6S LED。表3、4则分别为MX-6与MX-6S数据一览。
系统设计工程师可从这简单的分析得到结论，其最须注意的是两个设计中LED驱动器重要组件的温度差异。此设计实际成本并不高，但随之而来的退货对厂商而言就是灾难，因为质量低劣对公司信誉会造成严重影响。若制造厂商决定使用一个特定的LED配置，随后被要求用昂贵的驱动电子组件来增加功率，或附加额外的散热片，或包装材料来确保系统组件符合正确的热规格，那真正的成本可能就随之而来。
电解电容决定驱动器寿命
在驱动器设计寿命里，通常电解电容器才是决定因素。若在设计时就先注意的话，就可用电解电容器以增加5万小时的固态照明应用产品寿命。
值得注意的是，每提高电解电容器10℃，就会造成其寿命减半。举例来说，假设使用一个105℃，额定寿命1万小时的电解电容器，预计可以获得的温度是85℃，电容器就可以正常维持4万小时。如果同样这个电容所处的工作温度是95℃，则预期的寿命就会只有2万小时，这是非常大的差异。要是使用在较为高压堆栈的LED灯源，此应用的差别还可能会加倍。
高压堆栈损耗会影响配置一个系统时使用LED数量的弹性。在实例中，把LED堆栈电压控制在52伏特，只能使用两个串联的MX-6S LED，因此在如2×1、2×2与2×3等模块里，会使用双数的LED。而科锐和日亚化学(Nichia)提供类似MX-6S三个串联的LED，也许能增加LED配置的可能性。
在驱动器设计寿命里，通常电解电容器才是决定因素。若在设计时就先注意的话，就可用电解电容器以增加5万小时的固态照明应用产品寿命。
值得注意的是，每提高电解电容器10℃，就会造成其寿命减半。举例来说，假设使用一个105℃，额定寿命1万小时的电解电容器，预计可以获得的温度是85℃，电容器就可以正常维持4万小时。如果同样这个电容所处的工作温度是95℃，则预期的寿命就会只有2万小时，这是非常大的差异。要是使用在较为高压堆栈的LED灯源，此应用的差别还可能会加倍。
高压堆栈损耗会影响配置一个系统时使用LED数量的弹性。在实例中，把LED堆栈电压控制在52伏特，只能使用两个串联的MX-6S LED，因此在如2×1、2×2与2×3等模块里，会使用双数的LED。而科锐和日亚化学(Nichia)提供类似MX-6S三个串联的LED，也许能增加LED配置的可能性。
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