LED驱动电源可以依靠常规的保护功能延缓LED的光衰

时光灯可以提供照明或显示时间

时光灯有一个灵活的环形头部，LED驱动电源。

　　LED技术的快速发展，光效的不断提升，LED射灯技术也在快速发展。目前的LED射灯几乎是以替代传统卤钨灯为主。相比传统灯具，LED射灯在节能及长寿命方面具有显著的优势。随着LED射灯成本的降低，LED射灯的应用也逐步开始普及。《全面剖析LED射灯灯具》分为上下两集，上集笔者先从LED射灯的技术要求，常见的规格类型及结构给大家讲起。

　　（一）LED射灯技术要求

　　现阶段的LED射灯，主要以替代传统卤钨灯为主，相关的安全要求大多参考传统照明要求，并根据LED灯的特点，形成了一套安全认证标准。目前，在LED射灯的认证方面，国际上主要以欧洲CE和北美UL认证为主，在中国可进行自愿性认证（CQC）。

　　在CE认证里包含LVD和EMC两个方面，其中LVD是按照EN60968标准执行（将升级 IEC 62560）；EMC按照EN55015、EN61547、EN61000-3-2和EN61000-3-3标准执行。此外，LED灯通常还需要额外参照IEC 62471，进行光生物安全方面测试。在北美，通常需要进行UL安全和FCC电磁兼容认证。UL执行标准为UL1993、UL8750和UL1310；FCC执行标准为FCC PART15 Subpart B。在中国，对于LED射灯是采用自愿性认证（CQC），执行标准为GB24906-2010（安全）和GB 17743-2007（电磁兼容）。

　　另外，在LED射灯的性能方面，也有诸多标准规定。美国有能源之星（ENERGY STAR）有相关要求；中国有节能认证要求，执行标准为CQC 3129-2010。这些要求中，均对LED射灯的色温、显色指数、初始光通量、光效、光通维持率、寿命、中心光强、标称功率、功率因数、产品标识等进行了规定。

　　推算公式

　　许多电子产品的寿命是以坏掉来评判，但LED是一种寿命很长的光源，可使用很久都不会坏。但光通量的输出却会随着时间而衰减，因此行业内通常用光衰至70%所需的时间来定义LED光源的寿命，即L70。随着技术的进步，LED的光衰越来越缓慢，要完整测试其光衰至70%的时间也难以做到。由于电子产品的寿命呈指数规律，因此LED通常做较短时间的老化，通过采样光衰数据，然后以指数函数来推算其光衰至70%的时间，推算公式如上图所示。

　　LED射灯规格及类型

　　● 常见LED射灯规格及类型

　　通常对LED老化6000小时测试光通维持率LM（Lumen Maintains），按照指数规律，若6000小时后LM＞91.8%，便可宣称25，000小时的寿命，若LM＞94.1%可宣称35，000小时的寿命，但寿命推算的时间不超过测试时间的6倍。

　　图1：光衰指数曲线

　　图2：LED射灯极坐标光强分布曲线

　　LED射灯的角度，一般以50%峰值光强的光束角来定义。如图2是一个LED射灯的极坐标光强分布曲线，可以看出，50%光强对应的角度分别为±20°左右，因此这个射灯的角度为40°。

　　（二）常见LED射灯的规格及类型

　　图3：不同灯头（从左至右为E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3）

　　现阶段的LED射灯主要以替代传统卤钨灯为主，因此外形尺寸是参照IEC 60630标准，灯头参照IEC 60061-1标准。根据传统射灯情况，目前的LED射灯主要有MR16、PAR16、PAR20、PAR30、PAR38这几种。其中MR16通常采用GU5.3灯头；PAR16主要采用GU10、E26（美洲）/E27（欧洲及中国）、E14灯头；PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27灯头。

　　LED射灯结构简析

5、陶瓷基板特性

5.1热传导率

热导率代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力，可在较广的交流输入范围内实现及其严格的输出电流整流。该期间采用准谐振控制、谷底开关方法和功率系数校正功能，

　　LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。下面就为初入该行的业者提供一些LED驱动电源的相关知识。

　　1、什么是LED驱动电源

　　LED驱动电源把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。LED电源核心元件包括开关控制器、电感器、开关元器件（MOSfet）、反馈电阻、输入滤波器件、输出滤波器件等等。根据不同场合要求、还要有输入过压保护电路、输入欠压保护电路，LED开路保护、过流保护等电路。

　　2、LED驱动电源的特点

　　（1）高可靠性

　　特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

　　（2） 高效率

　　LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

　　（3）高功率因素

　　功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上使用照明量大，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

　　（4）驱动方式

　　现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电也就是“中科慧宝“改采用的驱动方式，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

　　（5）浪涌保护

　　LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此分析“中科慧宝“的驱动电源在浪涌保护方面应该有一定的欠缺，而至于电源及灯具频繁更换，LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

　　（6）保护功能

　　电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高；要符合安规和电磁兼容的要求。

　　3、按驱动方式分类

　　（1）恒流式

　　恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；

　　恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路；

　　恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高；

　　应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量。

　　（2）稳压式

　　当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；

　　稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路；

　　以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；

　　亮度会受整流而来的电压变化影响。

　　4、整体恒流和逐路恒流工作方式优缺点

　　与整体恒流相较，逐路恒流虽然缺点比较多，成本也比较高。但是它能真正的起到保护LED和延长LED的寿命，所以逐路恒流才是未来的趋势。

　　5、LED电源的不足

　　LED驱动电源目前存在不足的原因：

　　生产LED照明及相关产品的公司的技术人员对开关电源的了解不够，做出的电源是可以正常工作，但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够，还是有一定得隐患；

　　大部分LED电源生产企业都是从普通的开关电源转型过来做LED电源，对LED的特点及使用认识还不够；

　　目前关于LED的标准几乎没有，大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准；

　　现在大部分LED电源没有统一，所以量大部分都比较小。采购量小，价格就偏高，而且元器件供应商也不太配合；

　　LED电源的稳定性：宽电压输入，高温和低温工作，过温、过压保护等问题都没有一一解决；

　　首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如：电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命；

　　是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥；

　　目前在功率较小（1-5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

　　宽能隙（Wide Bandgap）半导体氮化镓（GaN）及其相关化合物半导体材料，被广泛开发用于照明及各种光电元件上。氮化镓发光二极体（GaN LED）发光波长涵盖绿光至深紫外光波段，在可预见的未来，将完全取代传统白炽灯泡及萤光灯做为照明光源。

　　另一种潜在的光电元件是微光电阵列元件（Micro Optoelectronic Device），该元件集合成千上万如发光体（Emitter）、侦测器（Detector）、光学开关（Optical Switch）或光波导（Optical Waveguide）等微型元件于单一晶片上。工研院预期微光电阵列元件未来将在显示、生医感测（Biosensor）、光通讯或光纤通讯、光互连 （Interconnect）及讯号处理（Signal Process）领域上扮演重要角色。

　　微发光二极体阵列（Micro LED Array）透过定址化驱动技术做为显示器，除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，其自发光显示--无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。Micro LED比起同样是自发光的有机发光二极体（OLED）显示器，有较佳的材料稳定性、寿命长、无影像烙印等问题，其独特的高亮度特性在投影式显示应用，如微投影（Pico Projection）、头戴式光学透视显示器（See-through HMD）、抬头显示器（Head-up Display， HUD）等，更具竞争力。此外，奈秒（Nano Second）等级的高速响应特性使得LED显示器除适合做叁维（3D）显示外，更能高速调变、承载讯号，做为智慧显示器的可视光无线通讯功能。

　　Micro LED技术塬理

　　Micro LED微显示器的晶片表面必须製作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点画素（Pixel）必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体（CMOS）电路驱动则为主动定址驱动架构，Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术，如覆晶封装方式（Flip Chip Bonding）形成电性连结。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列（Microlens Array），提高亮度及对比度。图1是被动定址Micro LED微显示晶片，Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极（P-metal Line & N-metal Line）连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。主动驱动显示器比被动矩阵驱动方式更节能、更快反应速度，向来是高解析显示器主流驱动方式。

　　图1 Micro LED被动定址阵列架构示意图及晶片照片

　　Micro LED技术挑战亟待突破

　　Micro LED（《50微米（μm））存在有别于一般尺寸（》100微米）LED的特性。例如一般尺寸LED几乎没有电流拥挤（Current Crowding）、热堆积等问题，且因晶格应力释放及较大出光表面而可能有较佳的效率等优势。相对的，较大表面积的Micro LED可能因表面缺陷多而有较大的漏电路径，微小电极提高串联电阻值，都会影响发光效率。因此，微型LED阵列化製程开发及微型LED的结构设计须克服上述问题。此外，Micro LED的均匀度关係到成像品质及产品良率，为技术开发挑战之一。

　　事实上，目前的Micro LED微显示器均为单光色，塬因在于单一基板上很难同时有磊晶成长不同波长，并且保持高品质的LED。因此，据文献资料显示，美商3M可能以波长转换的方式将蓝光（或UV）光透过量子井光激发层转成红、（蓝）、绿光，构成叁塬色光模式（RGB）画素。而索尼（Sony）、OKI等厂商则倾向採用以分次转贴红、蓝、绿光Micro LED磊晶薄膜的技术（Epi-film Transfer），构成彩色Micro LED阵列。在Micro LED画素大小约10微米尺度下，RGB阵列技术是全球各团队亟待突破的技术瓶颈。

　　各国技术研发迭有进展

　　德州科技大学（Texas Tech University）的江教授团队在2011年底发表了至目前为止，全球密集度最高（1，693dpi）的绿光主动定址Micro LED阵列晶片（图2），达视讯图形阵列（VGA）（640×480）解析度。此种微显示器结合Micro LED阵列和CMOS的驱动积体电路（IC），每个Micro LED单体下都有一驱动电晶体电路，可个别控制发光。

　　图2 德州科大所开发的主动定址微晶粒发光二极体阵列微显示器

　　美国Ostendo Technology公司透过优化半导体製程中的微影及蚀刻技术（图3），在4吋LED晶圆上实现均匀度98%，密集度高达2，450dpi的Micro LED阵列。此技术的开发有助于高解析的LED微显示器实用化。Ostendo也将运用此技术製作雷射二极体（LD）阵列，做为投影显示源，此举将比 LED微显示器在投影应用上，具有更佳的光学效率。

　　图3 Ostendo Technology公司开发Micro LED阵列点距10μm的製程技术

　　英国Strathclyde大学的Dawson教授在Micro LED的研究上投入颇多，图4为其製作的64×64微显示器。他们并将微透镜（Microlens）积体电路整合到Micro LED阵列上，用来提高显示器亮度。2010年中研究团队更衍生成立mLED公司，提供Micro LED技术平台，配合客户开发生医、微显示、列印、半导体製程光源等相关应用模组或产品。

　　图4 mLED开发的64×64 Micro LED阵列

　　图5为工研院电光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸为7.4毫米（mm）×4.9毫米，Micro LED画素间距为30微米（846dpi）。工研院电光所目前已製作出红、蓝、绿光的Micro LED阵列，并朝整合红、蓝、绿叁光色Micro LED在单一晶片中开发，以实现单晶片Micro LED全彩显示晶片。

　　图5 工研院电光所製作的240×160蓝光LED微晶粒阵列元件影像

现状：取得阶段性成果

我国半导体照明关键技术不断取得突破。