延長 LED 燈泡的使用壽命

取代全球最大國家強(qiáng)制要求的白熾燈照明正在推動向固態(tài)照明的范式轉(zhuǎn)變。LED 照明與替代照明技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢，尤其是隨著每瓦流明的增加和每流明成本的降低。與傳統(tǒng)白熾燈泡相比，這些替代技術(shù)的主要優(yōu)勢之一是燈泡的實際使用壽命及其每瓦時的成本。傳統(tǒng)白熾燈泡的預(yù)期壽命為 1000 小時(1)，而 LED 燈泡的預(yù)期壽命可達(dá) 50,000 (2) 數(shù)小時的工作時間，而僅消耗大約 20% 的功率以獲得等效的光輸出。但如果沒有正確的預(yù)防措施，近 25 年不更換燈泡的崇高承諾可能會落空。

隨著 LED 技術(shù)被接受為具有成本效益的白熾燈替代品，這種設(shè)計方法提出了一些挑戰(zhàn)，可能會導(dǎo)致基于 LED 的燈泡的使用壽命縮短。驅(qū)動器電路與傳統(tǒng)調(diào)光器技術(shù)的兼容性和 LED 本身的復(fù)雜性和可靠性是需要解決的問題，以便最大限度地延長使用壽命。

與相對脆弱的白熾燈和鹵素?zé)襞菹啾龋虘B(tài)照明技術(shù)的穩(wěn)健性是吸引消費者的關(guān)鍵特征之一。然而，LED 需要直流電流才能正常工作，并且需要由電路驅(qū)動，該電路將標(biāo)準(zhǔn)交流線路電壓轉(zhuǎn)換為可用電平。為了使基于 LED 的燈泡與標(biāo)準(zhǔn)燈座兼容，需要將驅(qū)動電路集成到燈泡中，這會增加潛在的故障機(jī)制，除非處理得當(dāng)。以前可用于 LED 燈泡的傳統(tǒng) LED 驅(qū)動器技術(shù)需要大量外部組件、昂貴的隔離組件和特殊的設(shè)計考慮，以避免在與調(diào)光器交互時長期降低關(guān)鍵組件(例如電解電容器)，這通常用于家庭中。世界。

燈泡內(nèi)部的驅(qū)動電路集成現(xiàn)在使燈泡容易受到可靠性問題的影響，例如嬰兒死亡率或降低的 MTTF(平均故障時間)率。MTTF 是測量第一次故障之前的時間量，通常是根據(jù)組件的數(shù)量和組件的類型，使用電路中每個組件的 FIT 率(及時故障，相對于 1,000,000,000 小時測量)來計算的。由于驅(qū)動電路將高交流電壓(100V AC /220V AC) 降至可用于為 LED 供電的直流電壓，出于安全原因，必須進(jìn)行電氣隔離。在典型的電氣隔離 AC-DC 轉(zhuǎn)換器中，反饋通過光隔離器(或光耦合器)從次級側(cè)提供給初級側(cè)的控制器，光隔離器是一種將電信號轉(zhuǎn)換為光的分立元件，將該信號通過一個隔離屏障，然后將其轉(zhuǎn)換回電信號。

由于與半導(dǎo)體元件相比，光隔離器具有更高的 FIT 率，因此它們降低了整個電路的 MTTF 等級。此外，由于老化效應(yīng)，光耦合器的電流傳輸比會隨時間和溫度而變化。這會影響電源的環(huán)路穩(wěn)定性，從而降低 LED 驅(qū)動電路的壽命。雖然許多 LED 燈和燈具可能在較高的 PCB 溫度下運行，但必須消除薄弱環(huán)節(jié)才能實現(xiàn)所需的長壽命。

一次側(cè)數(shù)字控制技術(shù)，該技術(shù)允許使用實時波形分析通過隔離變壓器的一次側(cè)檢測 LED 電流。這消除了對來自輸出的直接反饋的需要，同時為 LED 燈串保持非常嚴(yán)格的恒定電流調(diào)節(jié)。該技術(shù)的一個重要的額外好處是內(nèi)部反饋環(huán)路補(bǔ)償，簡化了設(shè)計并移除了外部組件。通過減少外部元件數(shù)量并取消光隔離器(FIT 率最高的元件)，LED 驅(qū)動電路的可靠性提高，從而提高了整個燈泡的整體可靠性。

今天制造的 LED 燈泡還需要向后兼容當(dāng)今家庭住宅中已經(jīng)采用的家庭照明技術(shù)。調(diào)光器用于為家庭提供氛圍，LED 照明作為白熾燈泡的替代品的一個好處是 LED 可以很容易調(diào)暗以匹配白熾燈泡的特性，而緊湊型熒光燈則不能。LED 驅(qū)動器需要管理多個因素來支持調(diào)光器功能，包括調(diào)光器檢測、兼容性和光閃爍。然而，為了延長燈泡的使用壽命，主要關(guān)注的是調(diào)光器與 LED 驅(qū)動器一起使用時的耐用性。典型的 A 燈白熾燈泡是純電阻性的。當(dāng)使用調(diào)光器來控制 A 燈的亮度時，

新的LED 驅(qū)動器采用兩級方法，其初始升壓轉(zhuǎn)換器具有雙重功能，首先為調(diào)光器提供負(fù)載所需的阻抗，減少浪涌電流，其次將輸入電流帶回相位與線電流，提高整個電路的功率因數(shù)。這使得燈泡不僅使用壽命更長，而且還可以提供高功率因數(shù)。

提供初級側(cè)控制的數(shù)字控制模塊還包含用于檢測和操作市場上幾乎所有調(diào)光器的算法，使該設(shè)備與現(xiàn)有調(diào)光器技術(shù)具有非常廣泛的兼容性。相同的算法還控制斬波電路，從而優(yōu)化斬波電路的動態(tài)輸入阻抗，以提高功率因數(shù)并降低浪涌電流。

與基于 LED 的燈泡的使用壽命同樣重要的問題是 LED 的預(yù)期壽命。與任何其他半導(dǎo)體元件一樣，LED 的工作結(jié)溫越高，器件的預(yù)期壽命就越短。確保長使用壽命的一種方法是降低驅(qū)動 LED 的電流，并簡單地使用更多 LED 來產(chǎn)生特定的光輸出，從而減少每個 LED 產(chǎn)生的熱量，從而降低結(jié)溫。這種方法可以延長使用壽命，但代價是需要更多的 LED，并且不能適應(yīng)外部因素，例如燈具的物理特性，這些因素可能會導(dǎo)致熱量高于預(yù)期。

第二種方法是優(yōu)化最大 LED 電流，然后建立所需的最大結(jié)溫，在該結(jié)溫下需要降低 LED 電流以防止退化?，F(xiàn)在有用于 LED 驅(qū)動的數(shù)字控制器實現(xiàn)了兩級保護(hù)方案，允許設(shè)計人員通過使用單個外部設(shè)備對最大 LED 溫度進(jìn)行編程。一個 NTC(負(fù)溫度系數(shù))電阻器可以物理地放置在 LED 集群附近并用作溫度監(jiān)視器。NTC 電阻器連接到 LED 驅(qū)動器 IC，然后使用該溫度反饋裝置來保護(hù) LED。圖 3 中所示的設(shè)備使用 NTC 設(shè)備來保護(hù) LED 燈泡中的 LED。

如果達(dá)到最大編程溫度閾值，控制器會以 10% 的增量降低 LED 電流，直到溫度穩(wěn)定。如果溫度下降，LED 電流會以相等且相反的 10% 增量逐步回到其最大編程值，并具有適當(dāng)?shù)臏罅恳苑乐拐袷?。還有一種故障安全模式，在發(fā)生重大故障事件時，流經(jīng) LED 的電流會減少到編程輸出電流的 1%。這種過溫保護(hù) (OTP) 拓?fù)錇?LED 燈泡的設(shè)計提供了靈活性，讓您高枕無憂，讓燈泡在極端工作條件下得到充分保護(hù)。

LED 已經(jīng)發(fā)展到成本和光輸出在競爭解決方案中達(dá)到平衡的地步，并且現(xiàn)在正在獲得動力，作為家庭白熾燈泡的現(xiàn)實替代品。這項新技術(shù)成功的關(guān)鍵在于驅(qū)動程序的實施。除了每個設(shè)計師都在努力優(yōu)化的明顯的效率和成本參數(shù)外，溫度、調(diào)光控制和可靠性等附加因素是保證 LED 承諾的長使用壽命的真正關(guān)鍵。參考：