LED路燈的未來取決于可靠性問題能否解決

全球大部分政府目前都在進(jìn)行道路照明的升級，首個步驟就是將LED路燈安裝在新開發(fā)的區(qū)域，接下來，led路燈將替代現(xiàn)有的舊式路燈照明。根據(jù)預(yù)計，在未來五年，現(xiàn)今的大部分路燈都將會被LED照明所替代。

不過，LED路燈目前面臨的一個大問題是可靠性低，因為它主要用于戶外照明，面臨多種極端環(huán)境條件，如長年經(jīng)受日曬雨淋、雷鳴電閃、溫度變化可能較大等。LED路燈要得到市場的認(rèn)可和大規(guī)模使用，必須首先解決可靠性問題。

TI半導(dǎo)體事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超

TI半導(dǎo)體事業(yè)部高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超博士表示：“LED路燈市場前景廣闊，但必須解決可靠性的問題。”

LED路燈是一個由光學(xué)、熱學(xué)和電子學(xué)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，雖然LED本身的壽命較長，但如果LED驅(qū)動電路設(shè)計不當(dāng)，如選用了低質(zhì)量的有源或無源器件，使整體驅(qū)動電路壽命無法與LED匹配，就會影響LED路燈質(zhì)量及壽命。

再者，LED的溫度管理及散熱也非常重要，一旦工作溫度高于100℃，LED本身的可靠性就會受到影響。當(dāng)然，LED早期失效、組裝局部缺陷及瞬態(tài)現(xiàn)象等因素，也導(dǎo)致LED偶爾可能會失效，如果沒有采取恰當(dāng)?shù)姆至鞅Ｗo(hù)措施，單個LED的失效會導(dǎo)致整串LED不亮，影響整體路燈照明效果。

劉學(xué)超強調(diào)指出：“LED路燈是一個復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，牽涉到光、電、熱、機(jī)械等領(lǐng)域。就驅(qū)動電源來講主要是效率和可靠性的問題。首先，驅(qū)動電源工作環(huán)境溫度很高(一般在70度上下)，這樣一來，就希望驅(qū)動電源的效率(包括恒壓加上恒流)的效率達(dá)到一定高度(比如>90%)，降低驅(qū)動電源的溫度，提高可靠性。其次，傳統(tǒng)的驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括PFC、PWM隔離和恒流DC/DC三 級電路(如下圖)，元器件多，可靠性低，特別是電解電容和光耦等敏感器件?！?/P>

傳統(tǒng)LED路燈驅(qū)動的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

因此，在LED路燈設(shè)計的過程中，必須很好地顧及LED溫度管理或散熱問題，使LED的工作溫度保持低于其結(jié)溫(最大結(jié)溫為150℃)，一般建議LED工作溫度需低于100℃，避免LED的可靠性受到影響。此外，LED驅(qū)動電路設(shè)計人員必須審慎選擇電路中的有源或無源器件，確保與LED壽命匹配。例如，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)盡可能地避免使用電解電容，因為這種電容在長期使用條件下可能會產(chǎn)生泄漏而導(dǎo)致工作壽命縮短。

再者，在整體LED照明市場中，LED路燈是所有LED照明應(yīng)用中 功率最高的，因此需要多個功率級和復(fù)雜的拓樸，以滿足功率因子校正(PFC)、總體諧波失真(THD)、85 PLUS的效率等標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以及多串LED電流恒定的要求。

劉學(xué)超也認(rèn)為：“要解決LED路燈的電路可靠性問題，必須從驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高效率，減少元器件數(shù)量，另外也可進(jìn)一步減少成本?！?/P>

LED路燈驅(qū)動方案推薦

針對上述問題，相關(guān)半導(dǎo)體業(yè)者極力發(fā)展復(fù)雜性較低的功率級和高集成度解決方案產(chǎn)品，一方面能夠滿足高效率和低BOM成本要求，另一方面還能滿足全球能效標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求。韓國飛兆半導(dǎo)體副總裁趙東輝指出，針對LED路燈的需求，飛兆半導(dǎo)體近期發(fā)布了一個四通道電流控制IC產(chǎn)品(FAN7346)，它帶有簡單的LED串正向電壓回饋功能，可以替代復(fù)雜的次級DC-DC模塊，且該產(chǎn)品兼容反激式或半橋轉(zhuǎn)換器以及派生拓樸，可提供仿真和PWM調(diào)光功能。

韓國飛兆半導(dǎo)體副總裁趙東輝

此外，飛兆半導(dǎo)體還提供高集成度功率開關(guān)解決方案(FLS1600-2100XS)，通過在單一封裝中集成兩個高壓MOSFET，并使用LLC諧振半橋控制器，來降低BOM成本。飛兆半導(dǎo)體的CRM PFC控制器IC產(chǎn)品FL7390B/C則能提供用于高功率因子和低THD應(yīng)用的低功耗解決方案。這個控制器通過軟啟動功能和第二OVP功能來消除Vout過沖，從而提高了系統(tǒng)可靠性。

目前數(shù)家歐洲和中國客戶已開始使用飛兆半導(dǎo)體用于街燈照明和大功率戶外照明應(yīng)用的大功率解決方案，PFC控制IC和LLC諧振半橋控制IC是主要的交貨產(chǎn)品。

飛兆半導(dǎo)體趙東輝指出，如果僅僅關(guān)注成本，會再次導(dǎo)致低質(zhì)量和低可靠性的問題，而這正是飛兆半導(dǎo)體極力避免的，因此飛兆半導(dǎo)體的新產(chǎn)品相當(dāng)注重簡化系統(tǒng)、提高效率、降低THD的發(fā)展趨勢。

他表示，系統(tǒng)效率與成本相關(guān)，針對特定的功率拓樸，如果選擇較高級別的元器件，能夠輕易提高效率。因而第一步是挑選適合系統(tǒng)的最佳拓樸，第二步是找到能夠支持你的目標(biāo)拓樸的最佳解決方案供貨商。

為了更好地實現(xiàn)節(jié)能要求，業(yè)界對超高能效的LED路燈(如能效高于90%)方案非常有興趣。針對這一需求趨勢，安森美半導(dǎo)體鄭兆雄表示，要提供這樣高的能效，需要采用高能效的電源拓樸結(jié)構(gòu)，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓墣結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢。

在這類要求超高能效的更大功率(如50W至250W)LED區(qū)域照明(如LED路燈)應(yīng)用中，安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器，能用于功率在50到300 W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用。NCP1397則是最新高性能諧振模式LLC控制器，集成了600 V高壓浮動驅(qū)動器，支持50到500 kHz的高頻工作，內(nèi)置高端和低端驅(qū)動器，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護(hù)特性。

劉學(xué)超也表示：“TI 為了滿足高質(zhì)量LED路燈市場的要求，推出了新一代多串變壓器LLC諧振半橋LED驅(qū)動控制器UCC25710。它通過多串LLC諧振電路可以實現(xiàn)多串LED的恒流，只需要PFC電路加上LLC多串恒流電路，這樣可以提高效率，減少器件成本并提高LED路燈可靠性，同時帶有PWM接口。”

LED路燈未來趨勢

針對提升LED路燈質(zhì)量的議題，安森美半導(dǎo)體電源及便攜產(chǎn)品全球銷售及營銷高級總監(jiān)鄭兆雄提出他的看法，在LED路燈應(yīng)用中，一種常見的電源架構(gòu)是“功率因子校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構(gòu)。這種架構(gòu)中，交流輸入電源經(jīng)過功率因子校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓，提供給后面內(nèi)置DC-DC降壓轉(zhuǎn)換電路的恒流LED模塊。這種架構(gòu)的設(shè)計提供了能夠現(xiàn)場升級的模塊化途徑，可根據(jù)實際需求，靈活改變LED光條數(shù)量，從而增加或減小光輸出，滿足具體區(qū)域照明應(yīng)用要求。[!--empirenews.page--]

在這種模塊化途徑下，一項設(shè)計能夠擴(kuò)展用于多種光輸出等級。而且隨著LED光輸出性能增強，LED模塊要提供相同光輸出等級，所需采用的燈條就更好。而每個燈條都設(shè)有一個專用的DC-DC LED驅(qū)動器，安森美半導(dǎo)體的CAT4201高能效降壓LED驅(qū)動器便是適用的解決方案。CAT4201專門優(yōu)化用于驅(qū)動大電流LED，采用具有專利的開關(guān)控制算法，提供高能效及精確的LED穩(wěn)流(可達(dá)350mA)。CAT4201可采用最高36 V的電源電壓供電，并兼容于12 V和24 V標(biāo)準(zhǔn)照明系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體鄭兆雄表示，也由于安森美半導(dǎo)體的LED路燈解決方案具有高性能、高能效及高可靠性，因此目前已贏得了眾多的客戶design-win。

TI劉學(xué)超也認(rèn)為：“未來LED路燈的發(fā)展趨勢有以下幾點：1）單路高壓是未來發(fā)展方向，這樣可以減少驅(qū)動電源的復(fù)雜性，降低成本。UCC25710同樣是一個很好的能滿足單路高壓電路的控制器；2）路燈系統(tǒng)智能化需求量增加，需要跟網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起；3）模塊化是另外一個趨勢，通過模塊設(shè)計降低維護(hù)成本?！?/P>

億光照明產(chǎn)品經(jīng)理RussELl Huang

以上是從半導(dǎo)體業(yè)者的角度來討論觀察LED路燈質(zhì)量的提升，接下來看看LED封裝業(yè)者在此方面又有何著力。億光照明產(chǎn)品經(jīng)理Russell Huang指出，LED路燈質(zhì)量與壽命的主要關(guān)鍵在于LED，此外，經(jīng)過精心構(gòu)思與設(shè)計的光機(jī)系統(tǒng)能夠提供真正有效率且節(jié)能的照明解決方案，輔以模塊化的設(shè)計概念，客戶可以輕易地進(jìn)行維修保養(yǎng)與更新，在效能/價格比上更是最佳的選擇。億光目前在歐洲、北美、臺灣、中國大陸等地區(qū)皆創(chuàng)造了許多成功的LED路燈應(yīng)用案例。

根據(jù)統(tǒng)計，中國目前有各類型路徑超過1億盞，每年新增路燈需求都在2000萬盞以上，且呈不斷上升趨勢。中國許多中大城市都在試驗LED路燈，如果能夠更好地解決LED路燈標(biāo)準(zhǔn)化問題，切實提高LED路燈設(shè)計的可靠性，并降低LED路燈的價格，未來幾年中國市場對LED路燈的需求將大幅上升。