優(yōu)化LED燈泡的工作壽命的關(guān)鍵

　以往的LED燈泡驅(qū)動器都需要大量外接元件、高價的隔離元件，以及特殊的設(shè)計策略，以防止關(guān)鍵元件出現(xiàn)長期老化問題（如電解電容）。現(xiàn)在，驅(qū)動電路的整合使燈泡更容易產(chǎn)生可靠性問題，如早期失效或使MTTF（平均無故障時間）率下降。

　　MTTF 是對首次出現(xiàn)故障時間的量度值，通常以電路中每種元件的FIT率（每10億小時故障率）計算得出。由于驅(qū)動電路要將大交流電壓（100Vac/220V ac）降低到可為LED供電的一個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，會用一個分立的光隔離器（或光耦）提供從次級端到初級端控制器的反饋，它將一個電信號轉(zhuǎn)換為光信號，使該信號通過光障，然后再轉(zhuǎn)換回電信號（圖1）。因?yàn)楣怦畹腇IT率高于半導(dǎo)體元件，因此就降低了整個電路的MTTF指標(biāo)。

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

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

　　該技術(shù)的另一個好處是內(nèi)部反饋回路補(bǔ)償，它簡化了設(shè)計，減少了外接元件的數(shù)量，尤其是不需要光耦這種有最高FIT率的元件，提高了LED驅(qū)動電路的可靠性，因此改善了燈泡的整體可靠性。

　　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，要支持調(diào)光功能，LED驅(qū)動器需控制多個因素，包括調(diào)光器檢測、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)動器一起使用調(diào)光器時，一個關(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)光器來控制普通A型燈泡的亮度時，調(diào)光器上的負(fù)載也是純阻性的，通過調(diào)光器的是恒定電流，可以控制。

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

　　調(diào)光器浪涌問題的一個解決方法是采用一種兩級方案來驅(qū)動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。在兩級方案中，初級用于將阻抗提升到一個可控水平，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)動器（圖3）就采用了兩級方案，它有一個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，以提高整個電路的功率因數(shù)。這種方案不僅能夠延長調(diào)光器的壽命，而且也可以產(chǎn)生高的功率因數(shù)。iW3616中提供初級端控制的數(shù)字塊包含檢測算法，幾乎能與市場上所有現(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)化電路的動態(tài)輸入阻抗，以改善功率因數(shù)，并降低浪涌電流。

　　在優(yōu)化LED燈泡工作壽命時，還有一個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)動電流，以及簡單地用多只LED來產(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。這種方法可延長燈泡工作壽命，但換得的是更高的方案成本，因?yàn)樾枰嗟腖ED.此外，它還無法適應(yīng)外部因素，例如燈具的物理尺寸特性，發(fā)熱量可能超過預(yù)期。

　　另一種方法是優(yōu)化LED的最大電流，即設(shè)立一個最高結(jié)溫，超過則會觸發(fā)LED電流的下降，以避免老化?，F(xiàn)有數(shù)字LED驅(qū)動控制器實(shí)現(xiàn)了一個兩級保護(hù)機(jī)制，設(shè)計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NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻做溫度監(jiān)測器。NTC電阻連接到LED驅(qū)動IC上，用溫度反饋器件來保護(hù)LED.

　　圖3中的iW3616采用了一只NTC器件來保護(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。如果溫度降下來了，則LED電流以相同的反向10%步長，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LED的電流降低到預(yù)設(shè)輸出電流的1%.這種過熱保護(hù)結(jié)構(gòu)為LED燈泡提供了設(shè)計的靈活性，極端工作條件下仍會為燈泡提供完全的保護(hù)，設(shè)計者不必再擔(dān)心這類問題。

　　LED已經(jīng)發(fā)展到成本與光輸出可與其它競爭方案相匹敵的階段，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)動器的實(shí)現(xiàn)。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設(shè)計人員都在努力優(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。