LED电源LED照明的面世带来了若干重大技术挑战。例如

串行/并行配置

在大多数用LED替代现有光源的应用中，中艾电源60V输出。和工作区域之间的无缝转换，中国LED产业正从做“产品”向做“品牌”求变，LED防水驱动电源。 研究者采用简单、快速的方法，都能在电源线路上产生高压脉冲，同时高压漏极感应不再需要以往LED短路错误管理通常要求的外部二极管。

iWatt公司直流/直流产品营销副总裁AtharZaidi先生表示：“我们相信iW7011是行业首个真正灵活的、可扩展的、便宜的背光解决方案。该解决方案可以降低物料成本，如垂直结构的芯片，中艾电源LED防水驱动电源导致的结果是体积加大、成本升高。

LED灯具现阶段还多是参照白炽灯和荧光灯的基本要素来设计的，

　　白炽热灯泡的发展更可向前推至1850年，亦即Joseph Wilson Swan于1878年取得首项专利，并实现首个商品化的灯泡，甚至早在1805年的Humphry Davy所研发的艺术灯源，由此钨丝灯泡的创新，加上前后经过将近60余年的研发，才看到今日钨丝灯泡商业化的成果。

　　创新LED照明时代正式展开

　　100多年后的今天，进入发光二极体（LED）照明时代，虽然白光LED的发明仅仅19年，试过的材料也还不及爱迪生的六千余种，加上在21世纪知识开放、技术进步之时谈创新，或许不比19世纪容易，但LED商业化的脚步已积极进入市场，甚至许多产品早已悄悄的结束短暂的市场生命。虽然在地球暖化节能趋势等议题的迫使下，各国开始禁产或禁用白炽灯泡，但仍预期白炽灯泡将会继续存在于你我生活周遭达数10年之久。

　　由以上两项创新例子观之，创新或许就在周遭生活中易由灵感而生，并在商业市场产生重大价值，但灯泡的创新就足以称为是一个系统整合应用的艰难工程。

　　LED照明系统设计在现今确实须要相当积极地投入人才、设备及具有开创性思维的想法与作法，才有可能达到创新的目的。然而今天能称得上创新的LED照明寥寥可数，因为要创造产品须要丢掉旧有思维和包袱，并兼顾市场的商业性，往往让人却步。而任何创新背后必须先结合产品分析调查，作为商品化成功的立论基础。再加上创新的成果必须有专利的保护才能保障其价值及商业利益，为达到此目的，其背后资源的支撑是相当可观的。

　　至今，大多数的LED照明设计不是修改、抄袭或称之为逆向工程，就是想走开发捷径，套用现有的灯具规格。或许是因为缺乏整合性，碍于技术瓶颈，仅就造型变更，又或许LED照明市场尚未标準化，市场规模也尚未成熟，致使以市场测试实验性质的思维製作出改良式的照明产品居多。当然部分的LED照明产品，在某种程度上还是加入使用需求上的方便性、改良性或新颖性。在某种程度上不能说没有达到创新，但面对不久的将来，若LED系统照明要能够在商业市场占有一席之地且继续茁壮，确实须要整合创新的布局及执行能力才能面对往后更严苛的市场挑战。

　　目前的创新须以符合大众市场需求及创造大量商业价值为前题，小众市场的创新设计已蓬勃发展中，但姑且称之为艺术价值高于实体应用价值所设计出的产品。

　　因为LED照明所追求的并不完全在于技术指标，照明本身的功能也并不全然是为须要照亮而亮，当然创新包括在光机电热技术的整合突破，另外亦须兼顾消费者在视觉、触觉等感官的价值。目前动辄新台币数万元的LED桌灯、檯灯或投射灯，在产品的背后所要呈现的仍多半在于表达视觉创新、触觉价值或经由控制达到精神感官的创新互动。LED售价并非过于昂贵，而是在商品化后设计创新的附加价值所使然。

　　LED的应用範围极为广泛，现就针对照明应用系统创新设计的相关问题及开发的方向一一探讨。

　　不同照明应用的LED性能要求迥异

　　为扩大LED光源市场接受度，其须达到功能性要求的必要性，并不是每种LED照明光源都必须追求最高发光效率、最低价格、最高演色性、最长寿命等，而是依据应用不同而有所差异，现以室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场为例谈起。

　　对于LED光源首要追求的是达到最佳的性价比，在安全无虞的情况下，得到最高的流明输出、最小的消耗电能及最低的价格。因为对于消费者大众而言，比较传统其他光源，花最少钱能买到最具经济效益的产品是购买的主要动力之一。至于是否达成无紫外线、不含汞、高演色性、5万小时寿命等行销的附加价值并非扩大市场接受度的主因。当然品牌代表某种程度的品质信赖，此外视觉感官对于颜色喜好也会有所影响，因此如何创新设计适合市场需求的LED光源，将是技术面要探讨的课题。

　　LED光源的发光效率发展至今，已超越绝大部分传统光源（图1、2），唯独少部分低压或高压放电光源的效率可以一较高下，但就电源控制和驱动上，体积与温度又各自有其优缺点，以下将就LED照明系统设计的每一环节说明。

　　图1　1995～2020年LED发光效率演进

　　图2　LED照明利基市场

　　创新製程/AC LED实现高效能晶片

　　现阶段市场上的LED磊晶片，无论是Cree的垂直元件、飞利浦（Philips）Lumileds的覆晶元件或日亚（Nichia）、晶元光电等平面式的元件，为求优化晶片本身的效能，不外乎利用不同的基材（透光、导热考量）搭配光学反射层的效率（反射出光）；上/下粗化结构（改变反射、折射增加出光）；线路光罩设计（增加出光面积改善电流分布密度，以降低驱动电压增加出光效率）；晶片尺寸最佳化的调整；再加上磊晶製程参数变异调整等来达到晶片最高的光电转换效率，在每一製程中钻研材料和製程所能提供增加转换效率的方法。

　　至于哪种结构是最佳的创新设计？就发光效率而言，或许垂直元件较优；但就室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场的製造成本而言，台湾目前平面式晶片则在性价比上远优于国外大厂。另外，在晶片端的应用结构设计创新，除了由製程改善去创新整体晶片效益外；交流电（AC）LED的诞生，使LED照明应用不仅有直流晶片串并联的选择，而能有交流市电直接驱动，因此可减少变压器的成本、产品内部空间、驱动电路规格迥异、变压器效率损耗及品质寿命等问题，大大简化模组及产品设计端的问题。然而目前在市场消费端面临的创新所衍生的其他问题也随之而来，其一为产生因创新导致消费者出现陌生的疑虑，而在消费行为上迟疑胆怯，此消费群未必是终端消费大众，而是LED照明产品供应链中的中下游购买者，其会对产品因陌生而迟疑、对交流电性的不了解或对产品风险的不确定性，而不敢创新产品的开发；其二是创新令消费大众观望，但却令消费族群中的嚐鲜族雀跃。然而前两者问题可在LED中下游供应链中透过创新设计及严谨的测试手段釐清疑虑，进而创造产品市场区隔和竞争优势。

　　一、为什么要对LED进行保护

　　白光LED 由于有着很多优点，正在越来越多的进入人们的日常生活之中，它的使用量现在变得非常的巨大。它是新器件，有其自身使用上的特点。白光LED属于电压敏感型的器件。每支LED工作时电流不要超过20mA，超过太多LED就会很容易被烧毁。LED如果是正常使用，其寿命是非常长的。但人们在实际使用中LED往往容易坏，道理何在呢？其实就是没有考虑到LED的使用特点和对它加上保护电路。

　　LED是光电半导体器件，在装配过程中容易被静电击伤。这就需要在装配过程中进行静电防护。我们发现很多生产厂家的人没有这个概念或根本不懂，这是不行的。

　　LED在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不采取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。

　　二、造成LED损坏的原因

　　1、供电电压的突然升高。让供电电源电压突然升高的原因就很多了，例如电源的质量问题，或者用户的不当使用等等原因都可能让供电的电源电压突然升高。

　　2、线路中某个元件或印制线条或其它导线的短路而形成LED供电通路的局部短路，使这个地方的电压增高。

　　3、某个LED因为自身的质量原因损坏因而形成短路，它原有的电压降就转嫁到其它LED上。

　　4、灯具内的温度过高，使LED的特性变坏。

　　5、灯具内部进了水，水是导电的。

　　6、在装配的时候没有做好防静电的工作，使LED的内部已经被静电所伤害。尽管施加的是正常电压和电流值，也是极易造成LED的损坏。

　　这些原因都会造成LED电流的明显大幅上升，很快LED的芯片就会因为过热而被烧毁。根据我们的经验，LED烧毁后多数是两极短路，少部分是断路。每支LED约有3.2V左右的压降，它烧毁后若是断路这串LED就不发光了。若是短路这个电压就转给了其它的LED，造成其它LED的更大电流，其它LED就会更快的被烧毁，甚至危急电源。本来是小损坏就极容易的造成大事故。LED一般安装在高处，安装的时候就不容易，要维修就更难。所以LED的保护是实际的需求，但目前没有被大家重视，也是很多人无奈没有办法处理的难题。

　　三、怎么对LED来进行保护

　　对LED的保护我们首先想到的是用保险管，但保险管是一次性的，而且反应速度也太慢，既效果差实际使用也很麻烦，所以保险管不适宜用于现在LED灯成品中，因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。针对这种实际的需求，我们做了大量的实验，并根据工程的要求总结出了LED保护电路要有的特点，它很苛刻：在超出正常使用电流时能立即启动保护，让LED的供电通路就被断开，使LED和电源都能得到保护，在整个灯正常后又能够自动恢复供电，不影响LED工作，关键是因为它是民用产品，所加的电路不能太复杂体积不能太大，成本要低。这些要求都是互相矛盾，互相制约的，实现起来很困难。

　　首先应该确定选用哪种保护电路和保护器件。

　　1、我们可以选择使用瞬态电压抑制二极管（简称TVS）。瞬态电压抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒极短时间的速度，使自己两极间的高阻立即降低为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌功率，把两极间的电压箝位在一个预定的电压值，有效的保护了电子线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

　　但是在实际使用中发现不是很理想。首先是要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。TVS器件主要应用于防雷和避雷，以及220V以上的过电压吸收等，而LED灯的供电电压一般是24V或12V，这种电压值的TVS成品很少，试验不好进行。同时我们知道：LED光珠的损坏主要是因为电流过大使芯片内部过热造成的。TVS只能探测过电压不能探测过电流。过电压肯定是过电流的原因，但是要选择合适的电压保护点很难掌握，这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。

　　2、我们可以选择自恢复保险管。自恢复保险管又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC，是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过（或元件处于正常环境温度）时，PTC自恢复保险丝呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过（或环境温度升高）时，大电流（或环境温度升高）所产生的热量使聚合物迅速膨胀，也就切断了导电粒子所构成的导电通路，PTC自恢复保险丝呈高阻状态；当电路中过电流（超温状态）消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。在正常工作状态自恢复保险管的发热很小，在异常工作状态它的发热很高阻值就很大，也就限制了通过它的电流，从而起到了保护作用。它的体积小，成本低，可反复使用，实现了保护的自动启动自动退出；它是固态封装耐冲击不容易被损坏；我们在实际的测试中发现：由于它是热敏感器件，受温度的影响很大，由于PTC封装在灯具的内部，光珠肯定要发热就要影响PTC的工作性能。对已经确定的灯具可以通过试验来选择PTC，比较可靠的使用方法是让它远离发热的灯珠。

　　在具体的电路中，有两种方式可供使用时选择：

　　1、分路保护。一般LED灯是分成很多串接支路。比如24V电压，我们都是用7支LED光珠相串接再加一支电阻构成，电流一般为17~19mA，根据需要我们可以选择7的整数倍光珠来组合成一支整灯。我们可以在每个支路的前面加一支PTC元件分别进行保护。这种方式的好处是精确性高，保护的可靠性好。

　　2、总体保护。在所有光珠的前面加接一支PTC元件，对整灯进行保护。这种方式的好处是简单，不占体积。我们一般是选用这种方式。就家用产品来说，这种保护在实际使用中的结果还是令人满意的。

　　PTC的选用很讲究，我们都是通过很长时间的实验才摸索出了较为准确的对应数值。

　　照明用电是全球能耗的一项重要来源。据推算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。在各种照明灯具中，历史悠久但能效较低的白炽灯的应用仍然非常广泛，如果限制低能效光源的使用、同时大力地推广及应用更高能效及环保的光源，将利于节能。

　　因此，包括中国在内，世界上多个国家制定政策，分阶段淘汰白炽灯泡。如中国计划于2015年60W 以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。荧光灯及紧凑型荧光灯（CFL）的能效比白炽灯高，在市场上已经应用多年。但荧光灯含剧毒物质汞，所引发的环保顾虑越来越多。

　　相比较而言，LED在发光效率等各方面的性能不断提升，还兼具环保及长寿命特性，越来越受重视。实际上，LED筒灯和改装灯泡已经拥有比白炽灯、卤素灯或CFL等现在照明技术更高的能效。而在成本方面，研究发现，与2010年相比，LED的价格已经加速下降（每年下降13%至24%），预计未来几年仍会持续下降，将帮助降低LED灯泡及灯具的成本。

　　因此，世界各国纷纷看好及推动LED照明产业的发展。例如，中国国家发改委发布《半导体照明节能产业规划》，规划到2015年LED功能性照明产品市场占有率达20%以上，LED照明节能产业产值年增长30%左右，2015年产值达4，500亿元（折合720亿美元）。

　　LED通用照明应用及发展前景

　　LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏（LCD）背光及LED标牌等领域外，如今也在越来越多地用于LED汽车内部/外部照明，如前照灯、雾灯、尾灯、停车灯、仪表盘背光、车顶灯、阅读灯和氛围灯等，以及住宅照明和建筑物装饰照明等LED通用照明。

　　LED通用照明应用覆盖宽广功率范围，低至3 W到15 W的LED住宅照明，中等功率有如15 W至75 W的商业及建筑物装饰性照明，高至75 W到250 W的户外及基础设施照明，典型照明产品有如MR16/GU10灯、E27/A19灯泡、镇流器、筒灯、T8灯管、街灯等。

　　图1：典型LED通用照明应用

　　LED通用照明应用极具发展前景。各种LED通用照明灯具中，近期来看，LED灯泡（如A19 LED灯泡）的发展势头惊人。据统计，2012年全球LED灯泡出货量达7.35亿只，2013年预计将增长到12.25亿只；预计到2014年将迎来LED灯泡市场的引爆点，届时LED灯泡价格将会降至10美元以下，出货量预计较2013年增长约85%，达22.70亿只；而到2015年出货量将进一步增长至39亿只。

　　高能效驱动器是LED通用照明的重点

　　要将LED照明的节能功能发挥至最高，就需要高能效的LED驱动器。我们以LED灯泡为例，典型的LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件，见图2的左半部分。就驱动电路而言，高能效LED驱动器IC无疑是其中的重点。图2的右半部分显示了典型的LED灯泡驱动电路，其中使用的是典型的独立式LED驱动器。

　　图2：a）典型LED灯泡剖视图（左图）；b）典型LED灯泡驱动电路（右图）

　　要发挥LED通用照明的高能效优势，LED驱动器存在多重挑战。首先就是能效至关重要。以LED灯泡为例，其形状固定，散热受限，采用高能效LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。其次，LED灯泡空间有限，需要更大的散热片面积，较大功率的灯泡尤为如此。此外，LED正在迅速变化，提供多种选择，这对LED驱动器的选择也构成了挑战。由于LED灯泡空间有限，故须减小驱动电子电路的尺寸以使剩余空间增多，配合散热。LED通用照明涵盖不同功率等级，故须优化LED驱动器选择，以配合不同照明及功率要求。出于安规、LED选择等因素，设计人员还须考虑是采用隔离还是非隔离拓扑结构，由此也影响到LED驱动器的选择。