LED照明應(yīng)用亟待解決的幾大關(guān)鍵性技術(shù)問題

固態(tài)led照明的形勢越來越光明，其應(yīng)用領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)不斷擴大，包括室內(nèi)外照明、汽車內(nèi)部、電視與監(jiān)視器、手機與其它消費電子產(chǎn)品的背光，甚至汽車大燈。

　　據(jù)市場調(diào)研公司Strategies Unlimited的LED市場研究總監(jiān)ELla Shum，去年全球封裝高亮度LED銷售額大增93%，達到108億美元。其增長主要來自電視和監(jiān)視器以及移動設(shè)備的背光。

　　Shum指出，盡管目前全球?qū)τ诎压虘B(tài)LED光源用于照明很感興趣，但高亮度LED市場去年在總體銷售額中僅占8%。但她預(yù)計，2010-2015年高亮度LED照明領(lǐng)域?qū)⒃鲩L39%左右。

　　ElectroniCast Consultants最近公布的市場研究報告認為，去年美國消費的LED燈泡價值4.85億美元。該公司預(yù)測，以2015年該數(shù)字將達到16.4億美元(圖1)。

　　LED照明優(yōu)缺點

　　LED比其它類型光源更受青睞，原因并不神秘。據(jù)美國能源部的固態(tài)照明研究與開發(fā)計劃，與高強度氣體放電(HID)燈泡、熒光燈管和節(jié)能燈(CFL)、鹵素燈和白熾燈相比，LED具有更高的效能和更長的壽命。

　　一只冷白光LED的最大效能是132流明/瓦(l/W)，而白熾燈只有區(qū)區(qū)的15流明/瓦，二者的壽命分別為5萬與1千小時。而LED照明所使用的功耗只是白熾燈的20%，這在全球都日益重視節(jié)能的今天是非常重要的優(yōu)點。

　　但價格較高是其缺點。飛利浦AmbientLED A19替代燈的成本約為40美元，而白熾燈則不超過1美元。LED的長奉命與節(jié)能優(yōu)點，可以彌補這種缺點。預(yù)計到明年，二者的成本差距將縮小到目前的四分之一。

　　另外，LED輸出水平已經(jīng)達到150流明/瓦，而且還在繼續(xù)上升。幾家LED廠商生產(chǎn)的高亮度LED，可以提供顏色范圍較寬的照明。例如，Cree公司生產(chǎn)的LR6筒燈，采用了獲得專利的顏色混合方法，所發(fā)出的光可以媲美白熾燈，但功耗要比白熾燈減少85%，而壽命是它的50倍(圖2)。

　　作為替代白熾燈的節(jié)能產(chǎn)品，LED燈泡的效能水平不斷改善，價格下降。例如，LEDtronics PAR系列LED燈泡比白熾燈節(jié)能90%(圖3)。

　　這些LED燈泡可以使用120V交流電，也可以在90-290V交流電范圍內(nèi)調(diào)光，采用愛迪生中等螺口燈座和G824針插式燈泡，包括PAR20(7W)、30(12W)和38(15W)多種類型。據(jù)稱這些產(chǎn)品的能效比上一代LEDtronics PAR燈泡高20%，可以直接替代功率高達100W的白熾燈和鹵素燈。

　　LED燈泡購買成本只是總體擁有成本中的一個因素，后者不僅涉及較低的能源成本，而且還有較低的維護與更換成本。桑迪亞國家實驗室估計，今天的LED照明是白熾燈燈泡終生擁有成本的兩倍，是熒光燈擁有成本的10倍。但該實驗室同時預(yù)測，到2020年，LED照明的擁有成本將是白熾燈的10分之一，是熒光燈的二分之一。

　　各企業(yè)和組織希望每年能在能源成本上面節(jié)省數(shù)以萬計的美元，這是推動照明方式向LED轉(zhuǎn)變的主要力量。許多商場、店鋪、辦公室和大樓內(nèi)外裝飾，都在轉(zhuǎn)向LED。橋梁、隧道、公路、街道、停車場、舞臺和機場也在紛紛采用LED照明。

　　從事設(shè)計、開發(fā)、制造與銷售高效率LED解決方案的Lighting Science Group報告稱，正在忙于在上述場所安裝其高性能與超高效率的燈，如Definity MR16系統(tǒng)。在Simon Property Group的商場攤位，這些燈正在用于替換原來的鹵素燈。該公司表示，其完全可調(diào)光Definity產(chǎn)品的效率比鹵素燈高80%，光輸出比許多其它光源高50%。

　　LED設(shè)計者與用戶面臨的一個挑戰(zhàn)是，光源與驅(qū)動電路之間沒有標準化接口。歐洲的Zhaga聯(lián)盟發(fā)起了一場全行業(yè)的行動，為LED光引擎開發(fā)標準的規(guī)范。LED光引擎是擁有規(guī)定接口的LED模組，而這些接口與光引擎內(nèi)部使用的LED技術(shù)類型無關(guān)。

　　Zhaga將使不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品個有互換性。通過為各種專用光引擎定義接口，就可以實現(xiàn)互換性。Zhaga標準將涵蓋物理尺寸，以及LED光引擎的光學(xué)、電氣與熱性能。

優(yōu)化驅(qū)動器設(shè)計

　　驅(qū)動LED是一項復(fù)雜任務(wù)。這是因為LED照明的應(yīng)用可能發(fā)生改變。效率與顏色準確度等性能參數(shù)會受到LED驅(qū)動方式的極大影響。德州儀器照明電源產(chǎn)品部策略營銷總監(jiān)Peter DiMaso解釋道：“LED驅(qū)動方式可以影響效能、色溫和色移(由發(fā)熱導(dǎo)致)以及閃變效應(yīng)?！?/P>

　　德州儀器C2000微控制器單元(MCU)營銷總監(jiān)Patrick Carner認同這種看法。他也指出，德州儀器宣稱其Piccolo MCU可以用于LED驅(qū)動器解決方案，允許設(shè)計者“進一步深入數(shù)字電源控制所使用的硬件和軟件”。該公司的C2000 dc-dc LED照明開發(fā)者工具顯示出，驅(qū)動單一或多個共享功率極所需要的正確電源拓撲(圖4)。

　　德州儀器C2000系統(tǒng)與應(yīng)用工程部門的Brett Larimore指出：“妨礙設(shè)計者使用LED的一個主要因素是如何處理軟件，而Piccolo控制工具簡化了所有這一切。它一步一步地讓你了解整個設(shè)計流程?！?/P>

　　利用高電流和低堆疊電壓來驅(qū)動LED，并且需要滿足能源之星和Lighting Facts Label要求以及歐洲標準，成為一種挑戰(zhàn)。Lighting Facts Label是由美國能源部與環(huán)境保護署(EPA)共同制訂的。一種對策是使用較少的LED元件，以更高的電流來驅(qū)動，以獲得更高的光輸出水平。

　　使用較少的LED，意味著可以降低產(chǎn)品成本，但未必有利于改善EPA所要求的效率水平。實際上，效率水平傾向于下降，人們在早期A19和E27燈泡的改裝應(yīng)用中注意到這種情況。電源效率水平太低。

　　隨著輸出光水平提高，LED驅(qū)動變得更加復(fù)雜。根據(jù)Haitz定律，對于給定的光線波長(顏色)，封裝LED的單位流明成本每10年下降10倍，每個LED封裝產(chǎn)生的光量則提高20倍。隨著光輸出不斷提高，封裝LED的有效性在某些應(yīng)用中(對于1千米左右的住宅照明和10千米左右的商業(yè)照明)將變得更加有限。

　　雖然今天的技術(shù)能夠輕松滿足這些LED的需要，但在未來幾年，LED將限制在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，而且商業(yè)意義有限，除非LED驅(qū)動技術(shù)與熱管理方面的技術(shù)創(chuàng)新得到極大發(fā)展。在這方面，固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)正在取得令人矚目的穩(wěn)步進展，但未來幾年能否保持這個走勢，仍需拭目以待。

溫度過高是LED殺手

　　當以較高的電流驅(qū)動的時候，LED的表現(xiàn)處于變化之中。較高的電流不僅帶來較高的輸出流明，而且會顯著提高溫度使之遠高于LED所處的環(huán)境溫度。有人估計70%的LED效能以熱量形式散發(fā)了，必須通過傳導(dǎo)或?qū)α鱽硐裏崃?。這與LED想要取代的傳統(tǒng)白熾鎢絲燈泡形成鮮明對比。

　　據(jù)國家半導(dǎo)體的資深開發(fā)總監(jiān)Jeff Perry，100W白熾燈泡的效率只有2.2%，而市場上質(zhì)量最好的LED效率只有30%左右。但是，白熾燈的大部分熱量通過紅外輻射方式散發(fā)。LED則不是這樣，它需要利用散熱器和風(fēng)扇控制熱量。溫度越高，意味著壽命越短和可靠性下降(圖5)。

　　緩解這個問題需要從多方面入手，既要改善LED性能，同時也要改進驅(qū)動器電路設(shè)計。電源管理IC廠商正在為固態(tài)照明開發(fā)效率更高的LED驅(qū)動電路。

　　早期固態(tài)照明產(chǎn)品所使用的老式LED驅(qū)動器拓撲，主要是對原有電壓調(diào)節(jié)方案的修改，在今天的LED中已難以見到。另外，用于固態(tài)照明的LED都是專用的。例如，A19/PAR型改裝燈泡使用的LED不同于勝于街道照明和MR16應(yīng)用的LED。認識到這點，LED廠商現(xiàn)在提供專用LED元件。

　　新型LED驅(qū)動器更加復(fù)雜先進。它們能夠感知驅(qū)動電流水平，能夠在電流超過建議水平時加以調(diào)節(jié)。它們也能夠補償發(fā)熱與老化導(dǎo)致的變化，保證穩(wěn)定的光輸出。而且它們的熱保護電路可使過熱造成的LED損害程度降到最低，更好地防止LED因過熱而失效。

各大廠商的設(shè)計方案

　　國家半導(dǎo)體的LM3464和LM3424驅(qū)動器采用了一種熱管理方式，通過降低輸出來調(diào)節(jié)電流，使LED保持在最大工作溫度范圍之內(nèi)。國家半導(dǎo)體還推出了LM3445 LED驅(qū)動器，以滿足歐洲EN61000-3-2標準，該標準對功率超過25 W的照明產(chǎn)品的總諧波失真規(guī)定了嚴格的限制(圖6)。為了達到功率因數(shù)校正(PFC)要求，該驅(qū)動器使用PFC來使輸入電流與輸入電壓保持同相。

　　意法半導(dǎo)體HVLED 805的離線LED驅(qū)動器具有初級感測反饋(圖7)。這種高電壓PWM電流模式控制器，把一個低電壓PWM控制器與一個800V功率MOSFET組合在一個微波的SO16N封裝(8.75- by 3.99-mm)之中。它使用交流電源工作，精度在±5%以內(nèi)，并提供準諧振零電壓開關(guān)功能。它面向E27和GU10改裝燈。

　　安森美半導(dǎo)體的CS5171 LED驅(qū)動器IC提供較高的效率，而且可由高于或低于LED電壓的電源供電。它的單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓撲允許其充當dc-dc升壓調(diào)節(jié)器。該芯片工作頻率為260 kHz，效率約為65%，輸入電壓是4.0-V。

　　IC驅(qū)動器也可以用于越來越多的背光應(yīng)用這中，包括電視、筆記本電腦、手機和其它消費電子產(chǎn)品。Advanced Analogic Technologies的AAT14xx系列31-mA單通道升壓LED驅(qū)動器，它能驅(qū)動一串多達10個LED。AAT14XX 具有1.15 x 1.55 mm的晶片級封裝 (WLCSP) 尺寸。據(jù)該公司介紹，AAT14XX 系列提供10管腳 WLCSP 封裝，尺寸比1.3- by 2.9-mm 的SOT23包裝小80%，比2- by 2-mm 的QFN 包裝小55%。

　　Microsemi Corp.最近宣布了一款參考設(shè)計，能夠使成本較低的液晶面板產(chǎn)生質(zhì)量更高的圖像。該設(shè)計利用了索尼的CXD473063定時與照明控制器，以及Microsemi公司面向3D液晶電視的DAZL! LED驅(qū)動器技術(shù)。Microsemi公司的雙芯片解決方案包含DAZL! 2000系列32端口LX24232邏輯芯片，以及8端口LX23108L LED驅(qū)動器電源芯片。

　　驅(qū)動成串LED，比如照明應(yīng)用中每串多達20甚至更多的LED，可能出現(xiàn)問題。一只LED發(fā)生故障就會導(dǎo)致整串熄滅。對于這個問題，Bourns LSP系列分流器可以保護LED燈串中的單個LED。

制造良率是關(guān)鍵

　　LED在固態(tài)照明領(lǐng)域得到越來越廣泛的采用，在大型晶圓上面制造LED并取得較高的良率，是降低其成本的關(guān)鍵。目前的多數(shù)LED是在基于GaN的2英寸和4英寸藍寶石晶片上面生產(chǎn)出來的，存在良率不一致的問題，因此需要對顏色亮度、前向電壓和其它產(chǎn)變量進行檢測并根據(jù)結(jié)果分檔。

　　加上裝配與封裝步驟，LED成本就會升得更高。目前的普遍良率是30%甚至更低。實際上，專家預(yù)計2020年以前都達不到40%或者更高。

　　LED制造商計劃未來幾年向6英寸晶圓過渡，隨后是8英寸晶圓，采用良率較高的外延MOCVD工藝。通過嚴格控制溫度、回流和材料成分，可以做出那么大的晶圓。LG電子去年開始在6英寸晶圓上面生產(chǎn)LED。Philips Lumileds和Lextar也接近做到這點。有些公司將于明年生產(chǎn)8英寸晶圓樣品。

“如果LED產(chǎn)業(yè)將來繼續(xù)增長，動力一定是來自普通照明領(lǐng)域，”歐洲光電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(EPIC)秘書長Tom Pearsall表示，“而且這有賴于所有方面持續(xù)取得重大進展，涉及從基礎(chǔ)研究和材料一直到產(chǎn)品的設(shè)計與制造效率?！盓PIC是一個非營利組織，致力于在歐洲推廣和發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)?！?/P>