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第四講：如何提高LED壽命？

發布時間：2013-04-28 責任編輯：felixsong

【導讀】LED作為新型綠色照明技術，其光效高、能耗低、壽命長、光衰小等優點，逐漸被應用於各種領域。特別是LED向消費者提出的25年無需更換的承諾，更是成為LED的一個最大的賣點。因此，如何提高LED使用壽命，就成為設計者必須注重的問題。本期大講台為你解析如何去提高LED壽命。

全球各地政府都出台了要求白熾燈逐步退市的規定，這推動了向固態照明技術的轉變。LED技術與被替代的傳統白熾燈相比，主要好處是更長的工作壽命，以及更低的每瓦小時工作成本。白熾燈的典型壽命大約是1000小時。而LED燈泡號稱有5萬小時以上的工作壽命，同時在等效光輸出下，功耗隻有前者的約20%。

對於如何提高LED壽命，本文從3個方麵來解析：1）電源及驅動電路的設計；2）調光控製；3）預期壽命；4）封裝技術。

1.電源及驅動電路的設計

LED正常工作要求有恒定的直流電流，且電壓遠低於整流後的交流線電壓，因此需要將標準交流電壓降低到可用電平的驅動電路。要使LED燈泡與標準燈口兼容，設計者必須將驅動電路集成在燈泡內。如果處理不當，這種整合就會增加LED燈泡發生機械故障的可能性。

以往的LED燈泡驅動器都需要大量外接元件、高價的隔離元件，以及特殊的設計策略，以防止關鍵元件出現長期老化問題（如電解電容）。現在，驅動電路的整合使燈泡更容易產生可靠性問題，如早期失效或使MTTF（平均無故障時間）率下降。

MTTF是對首次出現故障時間的量度值，通常以電路中每種元件的FIT率（每10億小時故障率）計算得出。由於驅動電路要將大交流電壓（100Vac/220Vac）降低到可為LED供電的一個dc電壓，因此出於安全考慮要做電氣隔離。

在典型的電氣隔離AC/DC轉換器中，會用一個分立的光隔離器（或光耦）提供從次級端到初級端控製器的反饋，它將一個電信號轉換為光信號，使該信號通過光障，然後再轉換回電信號（圖1）。因為光耦的FIT率高於半導體元件，因此就降低了整個電路的MTTF指標。

典型的電氣隔離AC/DC轉換器中用一個分立的光隔離器

圖1：典型的電氣隔離AC/DC轉換器中用一個分立的光隔離器

另外，由於老化的影響，光耦的電流傳輸率可能會隨時間和溫度而改變。這種變動會影響到電源的回路穩定性，縮短LED驅動電路的壽命。雖然很多LED燈和燈具可以工作在高的PCB溫度下，但設計者必須消除這些薄弱環節，才能獲得更長的壽命。

圖2：iWatt公司的初級端數字控製技術PrimAccurate

圖2：iWatt公司的初級端數字控製技術PrimAccurate

圖2顯示了iWatt公司的初級端數字控製技術PrimAccurate這種專利方案采用實時波形分析，通過隔離變壓器初級端來檢測LED電流，而不需要來自輸出端的直接反饋，同時保持了對LED串的嚴格恒流調節。

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第一講：LED驅動電源設計的考慮要素及通用要求
http://m.0-fzl.cn/opto-art/80020756
第二講：LED驅動電源拓撲結構如何選擇？
http://m.0-fzl.cn/opto-art/80020776
第三講：LED驅動電源功率因數如何提高?
http://m.0-fzl.cn/power-art/80020810
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2.調光控製

今天生產的LED燈泡還必須與家庭中現有的照明技術反向兼容。調光器提供了家居的氣氛照明，而LED照明做白熾燈替代品的一個好處就是可以方便地調光，比熒光燈更有效地符合白熾燈泡的特性。

不過，要支持調光功能，LED驅動器需控製多個因素，包括調光器檢測、兼容性，以及光閃爍等。為了優化照明係統的工作壽命，在與LED驅動器一起使用調光器時，一個關注點是耐用性。

典型的A型白熾燈泡是純阻性的。當用調光器來控製普通A型燈泡的亮度時，調光器上的負載也是純阻性的，通過調光器的是恒定電流，可以控製。

而LED驅qu動dong器qi實shi際ji上shang是shi一yi個ge電dian流liu源yuan，其qi輸shu入ru端duan對dui調tiao光guang器qi來lai說shuo，有you高gao的de容rong性xing，在zai上shang電dian時shi，會hui出chu現xian一yi個ge巨ju大da的de浪lang湧yong電dian流liu為wei容rong性xing負fu載zai充chong電dian，然ran後hou才cai穩wen定ding到dao一yi個ge低di得de多duo的de電dian流liu水shui平ping。這zhe個ge浪lang湧yong電dian流liu可ke能neng損sun壞huai標biao準zhun調tiao光guang器qi，必bi須xu減jian小xiao這zhe個ge電dian流liu，以yi避bi免mian損sun及ji調tiao光guang電dian路lu的de壽shou命ming。

調光器浪湧問題的一個解決方法是采用一種兩級方案來驅動LED,erbucaiyongzhijiedefanjizhuanhuanqifangfa，yinhouzheyougaoderongxingshuruzukang。zailiangjifanganzhong，chujiyongyujiangzukangtishengdaoyigekekongshuiping，congerjiangdilangyongdianliu，weitiaoguangqitigongsuoxuyaodeanquanyubaohu。

iWatt公司的iW3616 LED驅動器

圖3：iWatt公司的iW3616LED驅動器

圖3就采用了兩級方案，它有一個雙重功能的初始升壓轉換器：首先，為調光器提供所需的負載阻抗，減少浪湧電流；其(qi)次(ci)，使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)保(bao)持(chi)與(yu)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)相(xiang)同(tong)的(de)相(xiang)位(wei)，以(yi)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)延(yan)長(chang)調(tiao)光(guang)器(qi)的(de)壽(shou)命(ming)，而(er)且(qie)也(ye)可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)。iW3616中(zhong)提(ti)供(gong)初(chu)級(ji)端(duan)控(kong)製(zhi)的(de)數(shu)字(zi)塊(kuai)包(bao)含(han)檢(jian)測(ce)算(suan)法(fa)，幾(ji)乎(hu)能(neng)與(yu)市(shi)場(chang)上(shang)所(suo)有(you)現(xian)成(cheng)調(tiao)光(guang)器(qi)一(yi)起(qi)配(pei)合(he)使(shi)用(yong)。同(tong)一(yi)算(suan)法(fa)還(hai)控(kong)製(zhi)著(zhe)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，優(you)化(hua)電(dian)路(lu)的(de)動(dong)態(tai)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，以(yi)改(gai)善(shan)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，並(bing)降(jiang)低(di)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。

3.預期壽命

在優化LED燈泡工作壽命時，還有一個同樣重要的考慮因素，這就是LED本身的預期壽命。與所有半導體元件一樣，LED的工作結溫越高，其預期壽命就越短。電解電容也有預期壽命，同樣取決於工作溫度。

一種方案是降低LED的額定驅動電流，以及簡單地用多隻LED來產生特定的光輸出量，這樣單隻LED上發熱較少，因此降低了結溫。這種方法可延長燈泡工作壽命，但換得的是更高的方案成本，因為需要更多的LED.此外，它還無法適應外部因素，例如燈具的物理尺寸特性，發熱量可能超過預期。

另一種方法是優化LED的最大電流，即設立一個最高結溫，超過則會觸發LED電流的下降，以避免老化。現有數字LED驅動控製器實現了一個兩級保護機製，設計者用一隻外接器件就可以設定最高LED溫度。LED結附近放一個NTC（負溫度係數）電阻做溫度監測器。NTC電阻連接到LED驅動IC上，用溫度反饋器件來保護LED。

圖3中的iW3616采用了一隻NTC器件來保護LED燈泡中的LED。如果LED結達到了NTC元件所設定的最大溫度閾值，則控製器以10%的間隔減少LED電流，直到溫度穩定為止。如果溫度降下來了，則LED電流以相同的反向10%步長，逐步回到其最大設定值，並有適當的遲滯量以防止振蕩。如果發生重大故障事件，失效恢複模式可將通過LED的電流降低到預設輸出電流的1%。這種過熱保護結構為LED燈泡提供了設計的靈活性，極端工作條件下仍會為燈泡提供完全的保護，設計者不必再擔心這類問題。

LED已經發展到成本與光輸出可與其它競爭方案相匹敵的階段，LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實用替代品。這一新技術的成功關鍵是驅動器的實現。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設計人員都在努力優化的效率和成本參數以外，其它因素也非常關鍵，如溫度、調光控製與可靠性等。

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4.封裝技術

對於提高LED壽命來說，LED的(de)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)方(fang)麵(mian)。封(feng)裝(zhuang)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)是(shi)為(wei)了(le)確(que)保(bao)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)和(he)下(xia)層(ceng)電(dian)路(lu)間(jian)之(zhi)正(zheng)確(que)電(dian)氣(qi)和(he)機(ji)械(xie)性(xing)的(de)互(hu)相(xiang)接(jie)續(xu)，及(ji)保(bao)護(hu)芯(xin)片(pian)不(bu)讓(rang)其(qi)受(shou)到(dao)機(ji)械(xie)、熱、潮濕及其它種種的外來衝擊。選擇封裝方法、材料和運用機台時，需考慮到LED磊晶的外形、電氣/機械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學特性，封裝時也須考慮和確保其在光學特性上能夠滿足。

無論是垂直LED或SMD封裝，都必須選擇一部高精度的固晶機，因LED晶(jing)粒(li)放(fang)入(ru)封(feng)裝(zhuang)的(de)位(wei)置(zhi)精(jing)準(zhun)與(yu)否(fou)是(shi)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)整(zheng)件(jian)封(feng)裝(zhuang)器(qi)件(jian)發(fa)光(guang)效(xiao)能(neng)。若(ruo)晶(jing)粒(li)在(zai)反(fan)射(she)杯(bei)內(nei)的(de)位(wei)置(zhi)有(you)所(suo)偏(pian)差(cha)，光(guang)線(xian)未(wei)能(neng)完(wan)全(quan)反(fan)射(she)出(chu)來(lai)，影(ying)響(xiang)成(cheng)品(pin)的(de)光(guang)亮(liang)度(du)。但(dan)若(ruo)一(yi)部(bu)固(gu)晶(jing)機(ji)擁(yong)有(you)先(xian)進(jin)的(de)預(yu)先(xian)圖(tu)像(xiang)辨(bian)識(shi)係(xi)統(tong)（PR System），盡管品質參差的引線框架，仍能精準地焊接於反射杯內預定之位置上。

LED固晶機

圖4：LED固晶機

一般低功率LED器件（如指示設備和手機鍵盤的照明）主要是以銀漿固晶，但由於銀漿本身不能抵受高溫，在提升亮度的同時，發熱現象也會產生，因而影響產品。要獲得高品質高功率的LED,新的固晶工藝隨之而發展出來，其中一種就是利用共晶焊接技術，先將晶粒焊接於一散熱基板（soubmount）或熱沉（heat sink）上，然後把整件晶粒連散熱基板再焊接於封裝器件上，這樣就可增強器件散熱能力，令發相對地增加。至於基板材料方麵，矽（Silicon）、銅（Copper）及陶瓷（Ceramic）等都是一般常用的散熱基板物料

共晶焊接技術

共晶焊接技術最關鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控製。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用純錫（Sn）或金錫（Au-Sn）合(he)金(jin)作(zuo)接(jie)觸(chu)麵(mian)鍍(du)層(ceng)，晶(jing)粒(li)可(ke)焊(han)接(jie)於(yu)鍍(du)有(you)金(jin)或(huo)銀(yin)的(de)基(ji)板(ban)上(shang)。當(dang)基(ji)板(ban)被(bei)加(jia)熱(re)至(zhi)適(shi)合(he)的(de)共(gong)晶(jing)溫(wen)度(du)時(shi)，金(jin)或(huo)銀(yin)元(yuan)素(su)滲(shen)透(tou)到(dao)金(jin)錫(xi)合(he)金(jin)層(ceng)，合(he)金(jin)層(ceng)成(cheng)份(fen)的(de)改(gai)變(bian)提(ti)高(gao)溶(rong)點(dian)，令(ling)共(gong)晶(jing)層(ceng)固(gu)化(hua)並(bing)將(jiang)LED緊固的焊於熱沉或基板上。

LED共晶焊接技術

圖5：LED共晶焊接技術

選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往後SMThuihanzhichengshidewenduyaoqiu。kaolvgongjinggujingjitaishi，chugaoweizhijingduwai，lingyizhongyaotiaojianjiushiyoulinghuoerqiewendingdewendukongzhi，jiayoudanqihuohunheqitizhuangzhi，youzhuyuzaigongjingguochengzhongzuofang yanghuabaohu。dangranheyinjianggujingyiyang，yaodazhigaojingdudegujing，youlaiyuyanjindejixieshejijigaojingdudemadayundong，cainenglinghantouyundonghehanlikongzhiqiadaohaochuzhiyu，yiwusungaochannengjigao 良品率的要求。

進jin行xing共gong晶jing焊han接jie工gong藝yi時shi亦yi可ke加jia入ru助zhu焊han劑ji，這zhe技ji術shu最zui大da的de特te點dian是shi無wu須xu額e外wai附fu加jia焊han力li，故gu此ci不bu會hui因yin固gu晶jing焊han力li過guo大da而er令ling過guo多duo的de共gong晶jing合he金jin溢yi出chu，減jian低diLED產生短路的機會。

LED已經發展到成本與光輸出可與其它競爭方案相匹敵的階段，LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實用替代品。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設計人員都在努力優化的效率和成本參數以外，在電源及驅動電路的設計、調光控製、預期壽命、封裝技術等方麵都要不斷地改進，這樣才能使LED不斷地向前發展，進而真正普及到各個領域。

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