【導讀】LED作為新型綠色照明技術，其光效高、能耗低、壽命長、光衰小等優(yōu)點，逐漸被應用于各種領域。特別是LED向消費者提出的25年無需更換的承諾，更是成為LED的一個最大的賣點。因此，如何提高LED使用壽命，就成為設計者必須注重的問題。本期大講臺為你解析如何去提高LED壽命。
全球各地政府都出臺了要求白熾燈逐步退市的規(guī)定，這推動了向固態(tài)照明技術的轉變。LED技術與被替代的傳統(tǒng)白熾燈相比，主要好處是更長的工作壽命，以及更低的每瓦小時工作成本。白熾燈的典型壽命大約是1000小時。而LED燈泡號稱有5萬小時以上的工作壽命，同時在等效光輸出下，功耗只有前者的約20%。
對于如何提高LED壽命，本文從3個方面來解析：1）電源及驅動電路的設計；2）調光控制；3）預期壽命；4）封裝技術。
1.電源及驅動電路的設計
LED正常工作要求有恒定的直流電流，且電壓遠低于整流后的交流線電壓，因此需要將標準交流電壓降低到可用電平的驅動電路。要使LED燈泡與標準燈口兼容，設計者必須將驅動電路集成在燈泡內。如果處理不當，這種整合就會增加LED燈泡發(fā)生機械故障的可能性。
以往的LED燈泡驅動器都需要大量外接元件、高價的隔離元件，以及特殊的設計策略，以防止關鍵元件出現(xiàn)長期老化問題（如電解電容）。現(xiàn)在，驅動電路的整合使燈泡更容易產生可靠性問題，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。由于驅動電路要將大交流電壓（100Vac/220Vac）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，它將一個電信號轉換為光信號，使該信號通過光障，然后再轉換回電信號（圖1）。因為光耦的FIT率高于半導體元件，因此就降低了整個電路的MTTF指標。
圖1：典型的電氣隔離AC/DC轉換器中用一個分立的光隔離器
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：iWatt公司的初級端數字控制技術PrimAccurate
圖2顯示了iWatt公司的初級端數字控制技術PrimAccurate這種專利方案采用實時波形分析，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串的嚴格恒流調節(jié)。
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2.調光控制
今天生產的LED燈泡還必須與家庭中現(xiàn)有的照明技術反向兼容。調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光，比熒光燈更有效地符合白熾燈泡的特性。
不過，要支持調光功能，LED驅動器需控制多個因素，包括調光器檢測、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驅動器一起使用調光器時，一個關注點是耐用性。
典型的A型白熾燈泡是純阻性的。當用調光器來控制普通A型燈泡的亮度時，調光器上的負載也是純阻性的，通過調光器的是恒定電流，可以控制。
而LED驅動器實際上是一個電流源，其輸入端對調光器來說，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準調光器，必須減小這個電流，以避免損及調光電路的壽命。
調光器浪涌問題的一個解決方法是采用一種兩級方案來驅動LED,而不采用直接的反激轉換器方法，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，為調光器提供所需要的安全與保護。
圖3：iWatt公司的iW3616LED驅動器
圖3就采用了兩級方案，它有一個雙重功能的初始升壓轉換器：首先，為調光器提供所需的負載阻抗，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。這種方案不僅能夠延長調光器的壽命，而且也可以產生高的功率因數。iW3616中提供初級端控制的數字塊包含檢測算法，幾乎能與市場上所有現(xiàn)成調光器一起配合使用。同一算法還控制著升壓轉換器，優(yōu)化電路的動態(tài)輸入阻抗，以改善功率因數，并降低浪涌電流。
3.預期壽命
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本身的預期壽命。與所有半導體元件一樣，LED的工作結溫越高，其預期壽命就越短。電解電容也有預期壽命，同樣取決于工作溫度。
一種方案是降低LED的額定驅動電流，以及簡單地用多只LED來產生特定的光輸出量，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，因為需要更多的LED.此外，它還無法適應外部因素，例如燈具的物理尺寸特性，發(fā)熱量可能超過預期。
另一種方法是優(yōu)化LED的最大電流，即設立一個最高結溫，超過則會觸發(fā)LED電流的下降，以避免老化?，F(xiàn)有數字LED驅動控制器實現(xiàn)了一個兩級保護機制，設計者用一只外接器件就可以設定最高LED溫度。LED結附近放一個NTC（負溫度系數）電阻做溫度監(jiān)測器。NTC電阻連接到LED驅動IC上，用溫度反饋器件來保護LED。
圖3中的iW3616采用了一只NTC器件來保護LED燈泡中的LED。如果LED結達到了NTC元件所設定的最大溫度閾值，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，逐步回到其最大設定值，并有適當的遲滯量以防止振蕩。如果發(fā)生重大故障事件，失效恢復模式可將通過LED的電流降低到預設輸出電流的1%。這種過熱保護結構為LED燈泡提供了設計的靈活性，極端工作條件下仍會為燈泡提供完全的保護，設計者不必再擔心這類問題。
LED已經發(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用替代品。這一新技術的成功關鍵是驅動器的實現(xiàn)。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設計人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數以外，其它因素也非常關鍵，如溫度、調光控制與可靠性等。
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4.封裝技術
對于提高LED壽命來說，LED的封裝技術也是一個重要方面。封裝主要目的是為了確保半導體芯片和下層電路間之正確電氣和機械性的互相接續(xù)，及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊。選擇封裝方法、材料和運用機臺時，需考慮到LED磊晶的外形、電氣/機械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學特性，封裝時也須考慮和確保其在光學特性上能夠滿足。
無論是垂直LED或SMD封裝，都必須選擇一部高精度的固晶機，因LED晶粒放入封裝的位置精準與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能。若晶粒在反射杯內的位置有所偏差，光線未能完全反射出來，影響成品的光亮度。但若一部固晶機擁有先進的預先圖像辨識系統(tǒng)（PR System），盡管品質參差的引線框架，仍能精準地焊接于反射杯內預定之位置上。
圖4：LED固晶機
一般低功率LED器件（如指示設備和手機鍵盤的照明）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，發(fā)熱現(xiàn)象也會產生，因而影響產品。要獲得高品質高功率的LED,新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來，其中一種就是利用共晶焊接技術，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，這樣就可增強器件散熱能力，令發(fā)相對地增加。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
共晶焊接技術最關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，晶粒可焊接于鍍有金或銀的基板上。當基板被加熱至適合的共晶溫度時，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，令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上。
圖5：LED共晶焊接技術
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回焊制程時的溫度要求。考慮共晶固晶機臺時，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，加有氮氣或混合氣體裝置，有助于在共晶過程中作防 氧化保護。當然和銀漿固晶一樣，要達至高精度的固晶，有賴于嚴謹的機械設計及高精度的馬達運動，才能令焊頭運動和焊力控制恰到好處之余，亦無損高產能及高 良品率的要求。
進行共晶焊接工藝時亦可加入助焊劑，這技術最大的特點是無須額外附加焊力，故此不會因固晶焊力過大而令過多的共晶合金溢出，減低LED產生短路的機會。
LED已經發(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用替代品。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設計人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數以外，在電源及驅動電路的設計、調光控制、預期壽命、封裝技術等方面都要不斷地改進，這樣才能使LED不斷地向前發(fā)展，進而真正普及到各個領域。
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