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LED照明市场要起飞 驱动电源是关键

2011年11月01日 ?? 收藏0
由于LED照明系统较为复杂;跨越光学、电和热等领域,因此,在进行大规模应用时,常常会出现电源寿命不匹配及可靠性不足等问题,导致LED优势无法发挥。简而言之,LED照明(特别是LED路灯)大规模应用的真正瓶颈就在于驱动电源。

LED路灯主要用于室外环境,要长年经受风吹雨淋、雷鸣电闪的恶劣环境;在中国南方,外界气温部分时间可能高达40℃~50℃;而在寒冷的北方,外界气温部分时间则可能低到-20℃~-30℃。因此LED路灯电源的设计和制造技术就更加要注意质量问题。

“大部分路灯故障都可归因于电源故障,路灯面临着特殊的设计挑战,大部分挑战在传统电源应用中是不存在的。极高环境温度的严酷条件(导致电路板温度超过100℃),加上电源与负载(LED)的紧密相邻,使得标准的适配器技术根本无法凑效。此外,电信转换器所采用的用来对付高环境温度的高效率方法,在路灯应用中仅部分有效。”Andrew Smith表示:“长寿命、高环境温度电源需要采用特殊的设计技术和拓扑结构,才能使电源在严酷环境下正常工作。路灯制造商经常无法准确确定电源的适用性,错误的技术选择最后会导致系统过早故障。”

他指出,目前许多用于室外照明的电源都依赖大型铝电解电容,然而对于要在严酷环境中工作的电源的功率转换电路来说,此类电容的效果并不好。PI极具成本效益的技术无需电解电容或其他短寿命元件(如光耦),从而大幅提升外部照明方案的可靠性。

Andrew Smith强调:“PI的控制IC能帮助电源设计师完成模块化设计,驱动LED并联灯串,以90%以上的效率进行工作,而无需铝电解电容。此外,PI还提供高度集成的、高频率的谐振变换器方案,通过将电源在轻载时的效率提升到92%以上来减轻对电源的应力。”

高效节能方面,根据美国能源局(DOE)于2009年12月3日针对一体化LED灯项目所发布‘能源之星’规格最终版,规定LED驱动器的功率因子必须优于0.7,而工业应用则要优于0.9。此外,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,这要求电源要有良好的EMC、PFC/THD。

LED路灯驱动电源设计门坎高

TI半导体事业部业务拓展经理刘学超针对LED路灯的驱动电源需求指出,LED路灯是由光学、热学和电子学组成的复杂系统,虽然LED本身的寿命较长,但如果LED驱动电路设计不当,如选用了低质量的有源或无源器件,使整体驱动电路寿命无法与LED匹配,就会影响LED路灯质量及寿命。再者,LED的温度管理及散热也非常重要,一旦工作温度高于100℃,LED本身的可靠性就会受到影响。当然,LED早期失效、组装局部缺陷及瞬态现象等因素,也导致LED偶尔可能会失效,如果没有采取恰当的分流保护措施,单颗LED的失效会导致整串LED不亮,影响整体路灯照明效果。

再者,在整体LED照明市场中,LED路灯是功率最高的应用,因此需要多个功率级和复杂的拓朴,以满足功率因子校正(PFC)、总体谐波失真(THD)、85 PLUS的效率等标准和法规,以及多串LED电流恒定的要求。刘学超认为,要解决LED路灯的电路可靠性问题,必须从驱动拓扑结构进行改进,提高效率,减少元器件数量,另外也可进一步减少成本。

Andrew Smith则建议对LED路灯驱动电源采用金/银/铜分级体系。例如,金级电源在严酷环境下具有长使用寿命,能提供高效率(>90%),且具有高功率因数。为满足金级标准的评级要求,电源厂商必须遵循良好的工程经验(例如,消除功率转换电路中的电解电容)。银级和铜级分别适用于工业应用和消费类应用,它们符合这些细分市场的特有属性。

他指出:“对LED电源采用金/银/铜分级标准后,生产路灯的系统整合商就可以轻松、安全地选择正确的技术,无需使自己成为电源专家。作为一家IC供应商,PI支持采取一项通用的LED评级标准。我们正在与各LED制造商和政府机构进行接触,以期在此项倡议的需要和内容方面达成共识。”

深圳茂硕董事长顾永德则表示,由于LED照明目前还未大规模普及应用,对LED驱动电源的需求量相对较小,并且尚无统一的国家标准,因此许多电源厂商的设计质量不佳,导致电源产品寿命较短,即使在应用条件良好的环境中,一般电源厂家的电源寿命亦达不到1万小时;如果在夏天40度环境温度下,有许多厂家的电源寿命超不过4000小时。

寿命及温度范围为关键所在

顾永德指出,茂硕在设计时便将电源开机温度规范在-40℃-70℃,独有的PFC电路及内部屏蔽结构则能充分解决并保证在任何恶劣环境下,电源都能正常开机。再者,通过长时间对灌胶技术的研究,进而调配出密封性最好、散热性最佳的灌封胶配比,使产品得以获得完整严密的防水保护。茂硕的LED的驱动电源寿命长达5万小时。

针对现阶段的产业情况,顾永德指出许多灯具厂家多是在完成LED基板及结构设计后,才去考虑电源的问题,忽略了电源冲击对LED芯片的影响,为灯具的光衰减留下隐忧。而对于许多中小电源厂商而言,它们不可能有实力为每批数量不大的灯具专门开发不同的电源,这就造成了灯具厂商找不到技术指标和尺寸大小均合适的电源的普遍现象。茂硕电源则长期致力于和广大灯具客户的互动,针对客户的不同要求提供切合实际的应用方案,进而保障了灯具质量,赢得广大灯具客户的信赖。

现阶段茂硕电源的七星系列产品正广泛地应用于国内外将近1,000家客户,其中包括勤上、真明丽、富士康、比亚迪、九洲光电、史福特、泰克拓普、邦贝尔、万润、格林光电、伟志光电、德豪润达及佛山国星等知名大厂。

茂硕并和勤上光电合作制订符合双方长远发展与切身利益的细则,在项目研发、科技攻关、技术咨询与服务、信息交流、人才培养等方面全面开展广泛而深入的合作,且预计在未来三到五年内,勤上光电在现有的LED照明项目上,将会90%以上订制茂硕的LED驱动电源,同时,还将共同投入新项目的联合开发,在共同开发的项目上面,将100%采用茂硕的高可靠驱动电源。

智能型驱动为发展趋势

顾永德并特别说明智能型驱动电源的重要性,他指出目前市场应用于LED驱动电源管理、LED灯具的智慧节能监控的解决方案可说极少,但是茂硕针对节能、环保、多功能、高可靠和智能化管理等目标设计出照明时间智能控制、DALI智能无极调光、PLC智慧远程无极调光、PS485或DMX512智能远程无极调光、红外感应智能调光、0-10V模拟调光、室内可控硅调光等七大智能调光技术,可根据环境、时间等的变化,由工作人员在控制室通过相关网络远程控制LED路灯开关、调光,还可反馈电压或电流、状态查询、故障报警等,既可以省去铺设专有线路的麻烦,还可以解决远距离传输的问题,非常适合用于LED路灯的远程控制与管理。

由于这些特性,该公司出品的LED智能驱动电源系列产品已占全国LED路灯市场65%的比例。茂硕LED驱动电源目前年产能300万个,分析茂硕之所以能取得如此耀眼的市占成绩,主要为该公司所生产的LED驱动电源多是采用世界顶级品牌电子元器件,例如IC来自英飞凌、电容则全部是军工级日系电容。

另一值得注意的中国LED驱动电源业者则是广州金升阳科技有限公司。该公司已针对LED路灯应用推出KC24W系列,此为引线式恒流大功率防水LED驱动电源产品,该系列的产品应用降压式电路结构,具有效率高、宽输入电压范围、高温度工作环境、功能齐全等特点,提供PWM 调光、模拟调光等远程关断功能。

替代灯管电源朝隔离式发展

针对替代灯管所需的驱动电源,基本上脱机型为发展主要趋势,这主要是由于市场对安规日趋重视,因此隔离驱动的需求日渐增加。脱机型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。其中,基于集成型LED的替代灯管大多采用简单、非绝缘型降压稳压器LED驱动电路,产品着重于采用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/瓦数,以及高于0.7的功率因子,并具有标准的双向可控硅调光器调光的能力。

再者,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子大于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/瓦,并具有更长的使用寿命。

针对上述的需求,LED驱动电源IC业者提供许多解决方案。其中,iWatt拥有专利的PSR(原边控制)控制技术,这一技术使得该公司可以开发出无需光耦等不适宜于LED驱动电源高温工作环境的应用设计,从而大大提高了LED驱动电源的可靠性。 此外,iWatt几年前就已开始调光的应用研究,并开发出了3610和3620系列LED控制IC。iWatt指出,当电源设计者选用iWatt方案进行开发时,他们可以很轻松地解决发热与体积的关系,因为之后的LED驱动电源产品的体积将变得越来越小,导致功率密度变得越来越大。

目前iWatt可提供一系列LED驱动IC,适用于开发从3W到30W的LED照明灯具,基本覆盖了目前主流LED照明灯具的功率范围。有性价比高、针对3W小功率的iW1696和iW1678;有将BJT三极管整合在一起的高集成度的iW1810,有配合不同的MOSFET灵活运用于不同功率等级的iW3620,还有调光器兼容性最好的iW3610/3612系列IC。

其中,针对iW3610/3612系列IC,该公司是将传统的两级控制(PFC+PWM)整合在一个SO8的封装内,这些方案既能提供电流控制,也能兼容切相式调光器(phase cut dimming),还能改善功率因素,这种设计符合LED市场的主流要求。其中,iW3610是用于可调光LED驱动器的AC/DC数字电源控制器,输入电压100Vac/230Vac,频率从47Hz到64Hz,调光范围从2-100%,LED电流调整幅度±5%,起动电流10uA,输出功率高达45W,具有多种LED保护特性。该方案具有快速起动,LED没有可见的闪烁等特点。

PI则是提供了一系列针对LED照明应用的高度集成高压IC,在这些应用中,设计师要求宽电压输入(85VAC至265VAC)的脱机式电源。对于不需要调光的应用,使用LinkSwitch-PH就可以省去电解电容。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、钽电容来替代电解电容,从而消除100Hz或120Hz的闪烁。

PI的5W脱机式LED驱动器参考设计(RDK-251)具备无闪烁可控硅调光和单级功率因子校正(PFC)。该参考设计基于LNK457DG,可在15V额定LED灯串电压下提供350mA单路电流输出。使用标准的AC市电可控硅调光器可将输出电流降低至1%(3mA),这不会造成LED数组性能不稳或发生闪烁。该电源可同时兼容低成本的新形调光器和更复杂的笨重调光器,其AC耐压范围为0VAC至300VAC,能增强现场应用的可靠性,延长在线电压骤降和骤升条件下的使用寿命。

LED驱动电源需求增加快速

LED驱动电源器是LED产业链发展的保障,也就是说LED电源的质量直接决定了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源的成熟也至关重要。一盏LED路灯配置一台LED驱动电源,根据预测,2013年中国LED驱动电源数量预计达到700万台以上,市场规模扩大至17.5亿。

然而,LED驱动电源不是传统电源,技术含量非常高。由于供应受制于技术水准,跟不上需求的进展,产业整体上处于供不应求的状况。目前LED驱动电源已成为「十城万盏」工程推广的瓶颈,也是制约LED照明产业发展的关键因素之一。

对LED灯具业者而言,LED驱动电源的成本及使用寿命至关重要,其中的关键为采用高质量的元器件并控制生产质量,在保证高性能和可靠性的前提下必须尽可能地降低成本。据了解,近来有大量小型公司纷纷进军LED驱动电源市场,市场价格因竞争而不断下滑。如何在保证可靠性和质量的同时,提供最低成本的LED照明解决方案,成为业者需要面对的新挑战。


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