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第四講:如何提高LED壽命?

發(fā)布時(shí)間:2013-04-28 責(zé)任編輯:felixsong

【導(dǎo)讀】LED作為新型綠色照明技術(shù),其光效高、能耗低、壽命長(zhǎng)、光衰小等優(yōu)點(diǎn),逐漸被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。特別是LED向消費(fèi)者提出的25年無(wú)需更換的承諾,更是成為LED的一個(gè)最大的賣(mài)點(diǎn)。因此,如何提高LED使用壽命,就成為設(shè)計(jì)者必須注重的問(wèn)題。本期大講臺(tái)為你解析如何去提高LED壽命。

全球各地政府都出臺(tái)了要求白熾燈逐步退市的規(guī)定,這推動(dòng)了向固態(tài)照明技術(shù)的轉(zhuǎn)變。LED技術(shù)與被替代的傳統(tǒng)白熾燈相比,主要好處是更長(zhǎng)的工作壽命,以及更低的每瓦小時(shí)工作成本。白熾燈的典型壽命大約是1000小時(shí)。而LED燈泡號(hào)稱有5萬(wàn)小時(shí)以上的工作壽命,同時(shí)在等效光輸出下,功耗只有前者的約20%。

對(duì)于如何提高LED壽命,本文從3個(gè)方面來(lái)解析:1)電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì);2)調(diào)光控制;3)預(yù)期壽命;4)封裝技術(shù)。

1.電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LED正常工作要求有恒定的直流電流,且電壓遠(yuǎn)低于整流后的交流線電壓,因此需要將標(biāo)準(zhǔn)交流電壓降低到可用電平的驅(qū)動(dòng)電路。要使LED燈泡與標(biāo)準(zhǔn)燈口兼容,設(shè)計(jì)者必須將驅(qū)動(dòng)電路集成在燈泡內(nèi)。如果處理不當(dāng),這種整合就會(huì)增加LED燈泡發(fā)生機(jī)械故障的可能性。

以往的LED燈泡驅(qū)動(dòng)器都需要大量外接元件、高價(jià)的隔離元件,以及特殊的設(shè)計(jì)策略,以防止關(guān)鍵元件出現(xiàn)長(zhǎng)期老化問(wèn)題(如電解電容)。現(xiàn)在,驅(qū)動(dòng)電路的整合使燈泡更容易產(chǎn)生可靠性問(wèn)題,如早期失效或使MTTF(平均無(wú)故障時(shí)間)率下降。

MTTF是對(duì)首次出現(xiàn)故障時(shí)間的量度值,通常以電路中每種元件的FIT率(每10億小時(shí)故障率)計(jì)算得出。由于驅(qū)動(dòng)電路要將大交流電壓(100Vac/220Vac)降低到可為LED供電的一個(gè)dc電壓,因此出于安全考慮要做電氣隔離。

在典型的電氣隔離AC/DC轉(zhuǎn)換器中,會(huì)用一個(gè)分立的光隔離器(或光耦)提供從次級(jí)端到初級(jí)端控制器的反饋,它將一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),使該信號(hào)通過(guò)光障,然后再轉(zhuǎn)換回電信號(hào)(圖1)。因?yàn)楣怦畹?span lang="EN-US">FIT率高于半導(dǎo)體元件,因此就降低了整個(gè)電路的MTTF指標(biāo)。

典型的電氣隔離AC/DC轉(zhuǎn)換器中用一個(gè)分立的光隔離器
1:典型的電氣隔離AC/DC轉(zhuǎn)換器中用一個(gè)分立的光隔離器

另外,由于老化的影響,光耦的電流傳輸率可能會(huì)隨時(shí)間和溫度而改變。這種變動(dòng)會(huì)影響到電源的回路穩(wěn)定性,縮短LED驅(qū)動(dòng)電路的壽命。雖然很多LED燈和燈具可以工作在高的PCB溫度下,但設(shè)計(jì)者必須消除這些薄弱環(huán)節(jié),才能獲得更長(zhǎng)的壽命。

圖2:iWatt公司的初級(jí)端數(shù)字控制技術(shù)PrimAccurate
2iWatt公司的初級(jí)端數(shù)字控制技術(shù)PrimAccurate

2顯示了iWatt公司的初級(jí)端數(shù)字控制技術(shù)PrimAccurate這種專利方案采用實(shí)時(shí)波形分析,通過(guò)隔離變壓器初級(jí)端來(lái)檢測(cè)LED電流,而不需要來(lái)自輸出端的直接反饋,同時(shí)保持了對(duì)LED串的嚴(yán)格恒流調(diào)節(jié)。

相關(guān)閱讀

第一講:LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的考慮要素及通用要求
http://m.forexsooq.com/opto-art/80020756
第二講:LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何選擇?
http://m.forexsooq.com/opto-art/80020776
第三講:LED驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)如何提高?
http://m.forexsooq.com/power-art/80020810
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2.調(diào)光控制

今天生產(chǎn)的LED燈泡還必須與家庭中現(xiàn)有的照明技術(shù)反向兼容。調(diào)光器提供了家居的氣氛照明,而LED照明做白熾燈替代品的一個(gè)好處就是可以方便地調(diào)光,比熒光燈更有效地符合白熾燈泡的特性。

不過(guò),要支持調(diào)光功能,LED驅(qū)動(dòng)器需控制多個(gè)因素,包括調(diào)光器檢測(cè)、兼容性,以及光閃爍等。為了優(yōu)化照明系統(tǒng)的工作壽命,在與LED驅(qū)動(dòng)器一起使用調(diào)光器時(shí),一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是耐用性。

典型的A型白熾燈泡是純阻性的。當(dāng)用調(diào)光器來(lái)控制普通A型燈泡的亮度時(shí),調(diào)光器上的負(fù)載也是純阻性的,通過(guò)調(diào)光器的是恒定電流,可以控制。

LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)電流源,其輸入端對(duì)調(diào)光器來(lái)說(shuō),有高的容性,在上電時(shí),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)巨大的浪涌電流為容性負(fù)載充電,然后才穩(wěn)定到一個(gè)低得多的電流水平。這個(gè)浪涌電流可能損壞標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光器,必須減小這個(gè)電流,以避免損及調(diào)光電路的壽命。

調(diào)光器浪涌問(wèn)題的一個(gè)解決方法是采用一種兩級(jí)方案來(lái)驅(qū)動(dòng)LED,而不采用直接的反激轉(zhuǎn)換器方法,因后者有高的容性輸入阻抗。在兩級(jí)方案中,初級(jí)用于將阻抗提升到一個(gè)可控水平,從而降低浪涌電流,為調(diào)光器提供所需要的安全與保護(hù)。

iWatt公司的iW3616 LED驅(qū)動(dòng)器
圖3:
iWatt公司的iW3616LED驅(qū)動(dòng)器

圖3就采用了兩級(jí)方案,它有一個(gè)雙重功能的初始升壓轉(zhuǎn)換器:首先,為調(diào)光器提供所需的負(fù)載阻抗,減少浪涌電流;其次,使輸入電流保持與電源電流相同的相位,以提高整個(gè)電路的功率因數(shù)。這種方案不僅能夠延長(zhǎng)調(diào)光器的壽命,而且也可以產(chǎn)生高的功率因數(shù)。iW3616中提供初級(jí)端控制的數(shù)字塊包含檢測(cè)算法,幾乎能與市場(chǎng)上所有現(xiàn)成調(diào)光器一起配合使用。同一算法還控制著升壓轉(zhuǎn)換器,優(yōu)化電路的動(dòng)態(tài)輸入阻抗,以改善功率因數(shù),并降低浪涌電流。


3.預(yù)期壽命

在優(yōu)化LED燈泡工作壽命時(shí),還有一個(gè)同樣重要的考慮因素,這就是LED本身的預(yù)期壽命。與所有半導(dǎo)體元件一樣,LED的工作結(jié)溫越高,其預(yù)期壽命就越短。電解電容也有預(yù)期壽命,同樣取決于工作溫度。

一種方案是降低LED的額定驅(qū)動(dòng)電流,以及簡(jiǎn)單地用多只LED來(lái)產(chǎn)生特定的光輸出量,這樣單只LED上發(fā)熱較少,因此降低了結(jié)溫。這種方法可延長(zhǎng)燈泡工作壽命,但換得的是更高的方案成本,因?yàn)樾枰嗟?span lang="EN-US">LED.此外,它還無(wú)法適應(yīng)外部因素,例如燈具的物理尺寸特性,發(fā)熱量可能超過(guò)預(yù)期。


另一種方法是優(yōu)化LED的最大電流,即設(shè)立一個(gè)最高結(jié)溫,超過(guò)則會(huì)觸發(fā)LED電流的下降,以避免老化?,F(xiàn)有數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)兩級(jí)保護(hù)機(jī)制,設(shè)計(jì)者用一只外接器件就可以設(shè)定最高LED溫度。LED結(jié)附近放一個(gè)NTC(負(fù)溫度系數(shù))電阻做溫度監(jiān)測(cè)器。NTC電阻連接到LED驅(qū)動(dòng)IC上,用溫度反饋器件來(lái)保護(hù)LED

3中的iW3616采用了一只NTC器件來(lái)保護(hù)LED燈泡中的LED。如果LED結(jié)達(dá)到了NTC元件所設(shè)定的最大溫度閾值,則控制器以10%的間隔減少LED電流,直到溫度穩(wěn)定為止。如果溫度降下來(lái)了,則LED電流以相同的反向10%步長(zhǎng),逐步回到其最大設(shè)定值,并有適當(dāng)?shù)倪t滯量以防止振蕩。如果發(fā)生重大故障事件,失效恢復(fù)模式可將通過(guò)LED的電流降低到預(yù)設(shè)輸出電流的1%。這種過(guò)熱保護(hù)結(jié)構(gòu)為LED燈泡提供了設(shè)計(jì)的靈活性,極端工作條件下仍會(huì)為燈泡提供完全的保護(hù),設(shè)計(jì)者不必再擔(dān)心這類(lèi)問(wèn)題。

LED已經(jīng)發(fā)展到成本與光輸出可與其它競(jìng)爭(zhēng)方案相匹敵的階段,LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實(shí)用替代品。這一新技術(shù)的成功關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)。要確保LED真正具有號(hào)稱的長(zhǎng)工作壽命,除了設(shè)計(jì)人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數(shù)以外,其它因素也非常關(guān)鍵,如溫度、調(diào)光控制與可靠性等。

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4.封裝技術(shù)

對(duì)于提高LED壽命來(lái)說(shuō),LED的封裝技術(shù)也是一個(gè)重要方面。封裝主要目的是為了確保半導(dǎo)體芯片和下層電路間之正確電氣和機(jī)械性的互相接續(xù),及保護(hù)芯片不讓其受到機(jī)械、熱、潮濕及其它種種的外來(lái)沖擊。選擇封裝方法、材料和運(yùn)用機(jī)臺(tái)時(shí),需考慮到LED磊晶的外形、電氣/機(jī)械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學(xué)特性,封裝時(shí)也須考慮和確保其在光學(xué)特性上能夠滿足。

無(wú)論是垂直LEDSMD封裝,都必須選擇一部高精度的固晶機(jī),因LED晶粒放入封裝的位置精準(zhǔn)與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能。若晶粒在反射杯內(nèi)的位置有所偏差,光線未能完全反射出來(lái),影響成品的光亮度。但若一部固晶機(jī)擁有先進(jìn)的預(yù)先圖像辨識(shí)系統(tǒng)(PR System),盡管品質(zhì)參差的引線框架,仍能精準(zhǔn)地焊接于反射杯內(nèi)預(yù)定之位置上。

LED固晶機(jī)
4LED固晶機(jī)

一般低功率LED器件(如指示設(shè)備和手機(jī)鍵盤(pán)的照明)主要是以銀漿固晶,但由于銀漿本身不能抵受高溫,在提升亮度的同時(shí),發(fā)熱現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生,因而影響產(chǎn)品。要獲得高品質(zhì)高功率的LED,新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來(lái),其中一種就是利用共晶焊接技術(shù),先將晶粒焊接于一散熱基板(soubmount)或熱沉(heat sink)上,然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上,這樣就可增強(qiáng)器件散熱能力,令發(fā)相對(duì)地增加。至于基板材料方面,硅(Silicon)、銅(Copper)及陶瓷(Ceramic)等都是一般常用的散熱基板物料

共晶焊接技術(shù)

共晶焊接技術(shù)最關(guān)鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接,晶粒底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au-Sn)合金作接觸面鍍層,晶??珊附佑阱冇薪鸹蜚y的基板上。當(dāng)基板被加熱至適合的共晶溫度時(shí),金或銀元素滲透到金錫合金層,合金層成份的改變提高溶點(diǎn),令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上。

LED共晶焊接技術(shù)
5LED共晶焊接技術(shù)

選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時(shí)的溫度要求??紤]共晶固晶機(jī)臺(tái)時(shí),除高位置精度外,另一重要條件就是有靈活而且穩(wěn)定的溫度控制,加有氮?dú)饣蚧旌蠚怏w裝置,有助于在共晶過(guò)程中作防 氧化保護(hù)。當(dāng)然和銀漿固晶一樣,要達(dá)至高精度的固晶,有賴于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)及高精度的馬達(dá)運(yùn)動(dòng),才能令焊頭運(yùn)動(dòng)和焊力控制恰到好處之余,亦無(wú)損高產(chǎn)能及高 良品率的要求。

進(jìn)行共晶焊接工藝時(shí)亦可加入助焊劑,這技術(shù)最大的特點(diǎn)是無(wú)須額外附加焊力,故此不會(huì)因固晶焊力過(guò)大而令過(guò)多的共晶合金溢出,減低LED產(chǎn)生短路的機(jī)會(huì)。

LED已經(jīng)發(fā)展到成本與光輸出可與其它競(jìng)爭(zhēng)方案相匹敵的階段,LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實(shí)用替代品。要確保LED真正具有號(hào)稱的長(zhǎng)工作壽命,除了設(shè)計(jì)人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數(shù)以外,在電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、調(diào)光控制、預(yù)期壽命、封裝技術(shù)等方面都要不斷地改進(jìn),這樣才能使LED不斷地向前發(fā)展,進(jìn)而真正普及到各個(gè)領(lǐng)域。

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