LED照明火热 电源业界方案惹争议

    炙手可热的LED照明话题从年初一路延烧至年尾，人人都知道LED节能环保寿命长，但在面临大规模应用时，却又因为电源寿命不匹配、可靠性不足等问题不得不推迟上市时间。愈来愈多的业内人士认识到，要充分发挥LED的潜能，照明驱动电源是关键的支撑因素之一。  

    对于LED照明驱动电源，当前的主要诉求集中在高可靠性，以及高效节能等方面。来自本土的西安明泰半导体科技有限公司总经理邢先锋针对目前的LED照明驱动电源明确提出三点要求：  

    第一、要具有高的可靠性，包括与LED光源相匹配的长寿命，宽的工作温度适应性(-40度—65度，甚至-55—85度)，以及宽的电网适应及自我保护性能等;  

    第二、要高效节能，明泰Tesemi的产品效率高达95%，远远超过我国和欧盟等91%的一级能效标准;  

    第三、在目前LED产品无全面标准情况下，LED必须满足电气强制标准，特别是EMC的GB17743对应IEC6100，电流谐波THD的GB17625.1-2003对应IEC61000-3-2:2001，这要求了电源要有良好的EMC,PFC/THD。  
    iWatt公司一直配合众多LED照明企业提供电源方案，该公司销售副总裁朱保赉表示，LED照明电源发展的趋势应该是：高效率、高可靠性，以及对调光与非调光广泛的应用兼容性。PowerIntegrations市场营销副总裁DougBailey也认为，所有客户都需要可靠、高效节能的LED驱动产品。   

    当然，还有其他一些要求存在，比如功率因数校正(PFC)，无闪烁可控硅调光，在不同输入电压、温度及灯泡间都具有高精度恒流驱动输出，以及一致的导通和关断性能。DougBailey表示，PowerIntegrations(PI)所推出的器件在隔离式(LinkSwitch-PH)和非隔离式(LinkSwitch-PL)拓扑结构中都具备这些特性，具体取决于所选用的机械隔离方式和目标应用所适用的安全规则。  

    当前市场对LED照明电源的需求因应用而异，消费类灯泡的设计要求与路灯或工业荧光替代灯存在很大的不同。Rohm公司认为，LED照明市场用于室内照明的灯泡型渐渐过渡到直管型，用于室外的街灯也有增加。随着LED向高亮度化改善，LED驱动电路也逐渐开始向高输出化发展。  

    离线型LED照明电源成主流  

    目前，LED取代型灯泡及其他新型LED照明的发展十分迅速，主体市场则趋向离线型LED照明电源。国际整流器公司(IR)LED部门主管PeterB.Green指出，离线LED电源市场主要分为高功率和低功率两个部分，大概以50W为分界线，不包括手持设备等低压应用。   

    基于集成型LED的灯泡替代产品大多采用简单的、非绝缘型降压稳压器LED驱动电路。这些产品都是采用了最少的元器件数量和最低的成本，但又必须同时提供足够的流明/每瓦，以及高于0.7的功率因数，并具有标准的双向可控硅调光器调光的能力。  

    市场上不能满足这些性能要求的产品正逐渐被取代，而美国能源部“能源之星计划(EnergyStarprogram)”的要求也是促成这一变化的原因之一。  

    高功率LED驱动器通常需要绝缘隔离，以达到UL标准。这往往需要其功率因数大于0.9，并具备调光能力，而这种调光能力可能是通过基础调光器之外的其他方法实现的。另外还需要产生至少与荧光灯相等的流明/每瓦，并具有更长的使用寿命。  

    DiodesLED照明业务部门总经理AllanLin认为，离线型LED照明电源的发展将改变LED的销售角度，从销售大批量DC/DC电源的低电流、高亮度LED(用于手机、标识及笔记本电脑)，到销售AC/DC电源的更高电流LED(一般是照明应用)。这将提升整个普通照明AC/DCLED驱动器市场，并增加对电源组建更低成本的需求。  

    LED背照灯电视和其他大型LCD电视应用也迎来其他发展空间。他们正由CCFL向LED转移，从而进一步促进更高电流LED、更高电压电源市场的发展，并提高对驱动众多大型平行链的更高电源LED的要求。  

    无电解电容LED照明方案惹争议  

    在大多数LED应用中，对LED灯的使用寿命影响最大的器件就是去耦电容器。高温高可靠性的电容器会显著增加BOM的成本，因此减少电容的大小是增加电灯寿命及控制BOM成本的一个重要趋势和诉求。AllanLin表示，Diodes正在研究在未来的器件中减少电容器的大小。  

    不仅如此，更有不少厂商纷纷推出无电解电容的LED照明方案。创意电子有限公司产品工程师龙金节介绍，该公司TK5401、IL9910、TK5401均为无电解电容的驱动方案，主要用于球泡灯，PF值可达到欧洲标准0.70，外围元件少，价格低，长寿命且节约空间。随着时间的推移，市场上的一些带有电解电容的驱动电源会有相继失效的现象，龙金节认为，无电解电容的驱动方案是一个必然的发展趋势。   

    虽然LED是个节能环保产品，目前商用80-120lm/w光效已是所有照明产品中最高水平，但仍有60%左右的电能不能转换为光能而转换为热能。所有LED灯具工作时是一个加热体，使灯具局部形成50—70度甚至85度的高温区，会很快将电解电容的电解液烤蒸发，1000到3000小时时就很快失效。  

    邢先锋指出，实际上传统日光灯、节能灯驱动中电解电容也催在同样问题，只是电源寿命与灯管寿命相当而没使矛盾特别突出。他表示，“无论可靠性还是成本，抑或是可实现性考量，无电解电容将是LED照明驱动电源的不二选择。”  

    针对无电解电容方案，在业界有很多其他不同的声音。  

    “我们并不认为无电解电容LED照明是LED照明电源的发展大趋势。而且从现状来看，技术方面需要克服的问题很多。”Rohm公司表示。  

    PeterB.Green指出，随着电源需求的增加，如果不采用电解电容，LED驱动器的设计会变得非常昂贵。在低功率水平上，通过用陶瓷电容取代电解电容可以解决这一问题，而在高品质光源灯具上，电解电容是难以去除的。  

    事实上，如果电解电容质量很好，可以达到105摄氏度的工作温度和10000小时额定工作时间，就没有必要将电解电容从LED驱动设计中去除。  

    如果在低温条件下，这些元件的使用寿命可以远远超过10000小时，例如，在85度下，一个额定寿命为10000小时的元件可以运行40000小时。

    “其实用不用电解，其焦点就是电解的寿命，也就是整个产品的可靠性。”朱保赉表示，对于LED电源，担心最多的就是某些元件的自然老化，例如电解电容，因为它的工作温度很高;其次就是驱动电源对于电网波动的适应性及可靠性，例如雷击，因为很多半导体的元件会因为OverStress而失效。电解电容会存在电解液干涸的可靠性问题，但是如果简单地去除电解电容就会降低电源对电网波动的抗干扰能力，也会带来因雷击失效的风险，因此需要全面地评估产品的可靠性。  

    由无电解电容带来的高纹波电流而导致的低频闪烁开始越来越被人注意，有研究者认为，低于165Hz的频闪即便是人眼不易觉察，但这已经对某些人眼造成生理上的不适，幅度大的低频纹波会也会被导致一些数码像机设备出现差频闪烁的亮暗栅格。朱保赉认为，虽然市场很渴望能有既能解决电容寿命又能保持稳定性及可靠性的新方案，但现阶段在高品质光源灯具上是难以去除电解电容的。  

    DougBailey赞同此观点。他表示，对于不需要调光的应用，使用LinkSwitch-PH就可以省去电解电容。PI的单级PFC/恒流设计可以让设计师省去大容量电容，这在传统设计中通常需要在PFC级和恒流级之间使用。对电容剩下的唯一要求是，在输出中通过AC波形的低点(此时，电压接近于零)对LED供电。   

    “这可以用足够容量的陶瓷电容、钽电容或OSCON电容来替代电解电容，从而消除100Hz或120Hz的闪烁。对于不太关注调光的高温、高可靠性工业应用来说，我强烈建议不采用电解电容进行设计。”DougBailey强调。  

    非隔离和隔离型驱动电源将长期共存  

    目前在一般的LED照明市场上，存在非隔离设计和隔离型驱动电源之分。  

    非隔离设计仅限于双绝缘产品，例如灯泡的替代产品，其中LED和整个产品都集成并密封在非导电塑料中，因此，最终用户并没有任何触电的危险。二级产品都是隔离型的，价格相对比较昂贵，但在用户可以接触到LED和输出接线的地方(通常在LED照明和路灯照明应用的情况下)，这种产品必不可少。  

    带隔离变压器或者电气隔离的LED驱动电源意味着LED可以直接用手接触而不会触电。而无隔离变压器的LED驱动电源虽仍可以借助防护外壳实现部分机械绝缘，但此时的LED在工作时并不能直接接触。  

    Rohm公司指出，如何选取绝缘型和非绝缘型的照明驱动电源，主要在于安全和大小的关系，要看市场需要。“但是我们认为绝缘型灯泡在今后将成为主流。”该公司相关负责人表示。  

    龙金节也认为隔离型将成为市场的主流。如果采用隔离驱动，在电源初级侧有问题时次级侧的光源不会受到伤害，也就是说光源不会被破坏。随着人们对安规的重视越来越强，隔离驱动市场前景看涨。  

    DougBailey持有不同意见。他认为，两级架构适用于必须使用第二个恒流驱动电路才能使PFC驱动LED恒流的旧式驱动器。  

    这些设计已经过时，不再具有成本效益，因此在大多数情况下都最好采用单级设计。  

    物理设计决定着驱动器是隔离式还是非隔离式。安全规则通常要求使用两个独立的隔离层。设计师可以选择两种物理隔离层，即塑料散光罩和玻璃护罩，并使用非隔离式电源。如果物理隔离成本太高、存在机械困难或者吸收太多光，就必须在电源中解决电气隔离问题。  

    DougBailey指出，隔离式电源通常要比同等功率水平的非隔离式电源大一些。照明灯设计师必须在他们所设计的每款产品中进行大量的成本及设计优化工作。  

    邢先锋也表示，越简单的方案越有优势，所以单级框架一直是设计师们孜孜追求的方向。  

    “现在有很多实现‘离线性’LED电源的方法，而最好的方法取决于最终的应用。”AllanLin说，“我们预见单级(无隔离及带隔离)将主导取代型灯泡(E27,GU10,T8型灯)，对于这些产品来说，成本和解决方案的大小至关重要。”  

    由于适用于不同的应用，是采用隔离的绝缘变压器还是采用隔离的防护灯罩外壳，设计者在不同的角度考虑永远会有不同的见解。通常，他们会从多方面去分析，例如成本与制造工艺、效率和体积、绝缘可靠性和安全规范的要求，等等。  

    Supertex公司认为这两种架构将来都会得到普及。PeterB.Green也表示，在未来这两种类型的设计都将会继续使用，因为每个设计分别满足了不同的市场需求。  

    带变压器的驱动成本较高，但也相应让LED灯具变得更加实用，能够满足终端用户偶然接触LED的需要。当白炽灯玻璃外壳很容易被损坏时，一个E27型号的普通灯泡可被替换成为LED灯。此外，在工业区或者是办公设备应用中的灯具并不需要接触到终端用户，如路灯和商场照明，这时的LED灯也确实需要隔离变压器。  

    朱保赉表示，作为一个让最终用户能安全使用的产品，一定会考虑绝缘与隔离的可靠性。作为完整的产品，产品表面使用者能接触到的部分一定要经过隔离，不能让人触电。而从产品整个系统而言，隔离是不可避免的，区别只是设置隔离的位置不同。有些设计者采用隔离的变压器设计，因此他们可以简化散热和灯罩的设计。如果用非隔离的驱动设计，在灯壳等结构上就必须考虑可靠的绝缘要求。因此作为电源驱动，隔离与非隔离的方案一直都同时存在。  

    iWatt已经推出的iW3610iW3612系列IC，就已经将传统的两级控制(PFC+PWM)整合在一个SO8的封装内，既能提供恒流控制，也能兼容切相式调光器，还能改善功率因素。朱保赉说，这种设计符合LED市场的主流要求。  

    本土制造商面临成本压力  

    如今，有大量的小型公司纷纷进军LED照明业务，市场价格因竞争而不断下滑。如何在激烈的竞争下，保证设计的可靠性和品质，而不仅仅提供最低成本解决方案，成为众多本土OEM需要面临的挑战。  

     “在LED等产业链中的每个人都要面临的挑战是每月减少灯的整体成本。”DiodesLED照明业务部门总经理AllanLin表示，低成本BOM解决方案也拥有严格的LED电源功率因子和效率规格。  

    中国LED驱动电源制造商们可能面对的主要挑战是找到低成本的AC/DC驱动器，从而满足在低成本电源系统中实现更严格的功率因子和效率表现。  

    未来，在空间受限且存在散热困难的系统(比如LED灯具)中使用高质量、高可靠性的电源，将不再免费。然而，在最终用户使用过许多某款寿命在10,000小时左右的灯泡之前，要想证明其质量高是相当困难的事情。  

    PowerIntegrations市场营销副总裁DougBailey表示，如果借助在生产适用于严苛环境(比如家用电器和电表)的高质量电源产品方面享有盛誉的驱动控制器公司，事情就会简单很多。  

    LED是一个全新的照明体系，LED驱动需要和LED及其模组协调系统工作。“LED驱动不是一个简单的电源问题。它不仅要满足LEDPN结负载要求，也要系统考虑LED模组光、电结构设计”，邢先锋指出，“目前LED驱动制造商几乎全是传统电源厂商，缺乏系统方案、全方位考量。”  

    来自IR的PeterB.Green则指出了产品质量标准的问题。为了在美国和欧洲市场销售LED驱动器，中国原始设备制造商们必须制造出设计精良的高可靠性产品，并且完全满足UL和“能源之星计划”的要求。产品的使用寿命是至关重要的，因此，采用高质量的元器件和生产质量控制是至关重要的。同时，在保证高性能和可靠性的前提下，必须尽可能地降低成本。■