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LED照明灯存在的问题和解决办法
  时间:2008-8-6  16:28:02    来源:中国半导体照明网    作者:  浏览
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一、LED做照明灯具目前存在的问题

  称为希望之光的LED,从1964年发明至今,已发展到普及化照明的时代,其节能、环保、亮度高、功耗小、寿命长、耐冲击等优点,前景极为广阔;在室内照明的起步阶段,还有其固有的缺点,主要表现在以下几方面:

1、不一致性带来的问题:

  理论上LED都是能发光的二极管,而实际上所有LED的电性能都是有差异的,每个厂家的生产工艺是不一致的,甚至相差很大,就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的;不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的,这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同、耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了;封装工艺和封装材料的不同,使得整体的散热能力是不一样的,还有组合材料的热彭胀与散热的问题等。由此不难看出,LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异,如果每个灯只用一个LED,好控制。例如电视机、DVD上的电源指示灯;而当我们用LED制作照明灯具时,就不是用单个的LED,而是用多个、上百上千个LED成阵列接入电路,因LED的差异总有一个最先损坏,当有几个坏掉时(通常是短路),会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果,也是制约其发展的因素之一。

2、驱动电路复杂的问题:

  a.在电压匹配方面,LED不象普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是2--3.伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源。b.在电流供应方面,LED的正常工作电流在18mA-20mA,供电电流小于15mA时LED的发光强度不够,而大于20mA时,发生光衰而导致LED老化,同时发热大增,老化加快、寿命缩短,当超过50mA时会很快损坏,为了延长LED照明灯的使用寿命,常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等,大电流驱动时,要配大功率管或可控硅器件,另加保护电路,要恒流、恒压电路供电,这样电源电路复杂,故障率、元件成本、生产成本、服务成本都将升高。这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体。

二、LED照明电路的特点:

  A、多LED灯的串、并联矩阵结构;B、不需要控制亮度;C、LED的电流在一定范围变化不会明显影响照度;D、LED损坏的原因多是电流过大,超过50mA,较小的电压变化引起较大的电流变化。所以控制过电流即可,这为电路的简化提供依据。

三、解决问题的方法:

  如果用WHPTC过流保护器作保护,从原理可知,当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护,在排除故障后又自动复位,无需人工更换。对LED而言,电压的变化不是LED损坏的直接原因,而电流的增大才是LED的真正杀手。利用这个特性,在LED的电路保护上具有绝对的优势,让简易电源供电变为现实。实践证明,在LED电路出现故障以前就有效保护了。如下图可见,因有了WHPTC可省去恒流、恒压电路,。器件成本、生产成本、服务成本都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。


四、型号选择:

  可选择WH6-XXX 到 WH250-XXX 的 20mA-到-15A 中的所需型号。对LED进行无损保护,延长寿命。例如:WH250-020 用在220V、20mA的LED电路中,当电流超过40mA时,WHPTC在20秒左右保护。
专家指点:WHPTC保护时,其续电流使LED继续点亮,只是光暗而不是熄灭,这是其它保护电路不具备的优点,如果是干扰电流或电压导致保护,则干扰过去后,LED自动恢复正常点亮,而不需要人工更换或维修。

五、WHPTC系列产品可用于下列的照明、装饰、景观等灯具的电路保护:

  各种LED日光灯、球泡灯、杯灯、吸顶灯、路桥灯、交通灯、隧道灯、护栏灯、空中探照灯、激光灯、投光灯、庭院灯、地埋、水底灯、墙角灯、地脚灯、幕墙灯、盒灯、迪吧灯、酒吧灯、地砖灯、广场灯、节日灯、工艺灯、线条灯、气车灯等LED灯。
大功率LED技术的进步也使得设计阶段的散热考虑变得越来越重要。为了避免LED的加速老化,或者最坏情况的完全报废,LED本身不能过热。

  一旦大功率LED的发热效率高于发光效率,输入功率产生热而不发光的比例就非常高。所以,在设计阶段就必须考虑采用良好的散热来保证LED工作可靠,并且允许它在更高的环境温度下也能够工作。而在选择LED驱动电路时,则必须考虑器件的散热。

  确保LED芯片不致过热的一个重要指标就是正向电流。在实际使用中,经常将工作电流设置在一个很低的水平,以确保即使在很高的环境温度下 LED也不至于过热。然而,如果LED的工作电流与温度不相关,就会带来一个很大的问题:当温度过高时,LED的工作条件就超出了其规范的要求。此外,在 很低的温度下,供给LED的电流会极大地低于最大允许电流。
LED驱动电路中的热敏电阻

  因此,人们希望控制LED的驱动电流并使之降低LED额定工作条件。某些价格昂贵的LED驱动IC可以实现这种功 能,它采用内部或外部的温度传感器来感知温度并进行反馈控制。而我们则希望通过在LED驱动电路中采用PTC热敏电阻来提供一种简单的方法。它具有如下优点。
● 在室温的情况下,正向电流是增加的。
● 由于减少了LED的数量,所以成本可以降低。此外,可以采用价格低廉的驱动IC,或者甚至也可以采用不具有集成温度管理功能的驱动电路。
● 可以设计一个不需要IC控制,但仍能够根据环境温度调整LED工作电流的电路。
● 也可以采用低成本的LED,只是需要降低额定工作条件和提供更小的安全裕量。
● 如果增加过热保护功能,LED的可靠性会得到提高。
● 在散热方面也可以采用散热器(片)等方法。

使用WHPTC前后的拓扑结构比较图


  浅谈LED产品老化 我们在应用LED时经常会出现这样种问题,LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的,但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象,给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有:
1.应用产品时,焊接制程有问题,例如焊接温度过高焊接时间过长,没有做好防静电工作等,这些问题95%以上是封装过程造成。
2.LED本身质量或生产制程造成。 预防方法有:
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。

  老化是电子产品可靠性的重要保证,是产品生产的最后必不可少的一步。LED产品在老化后可以提升效能,并有助于后期使用的效能稳定。LED老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节,但在很多时候往往被忽视,无法进行正确有效的老化。LED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策,以此来提高产品的可靠性,但这种方法并不是必需的,毕竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。

  LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题,就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变,但这种电源无法称做「恒流源」。恒流老化是最符合LED电流工作特征,是最科学的LED老化方式;过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段,通过使用频率可调,电流可调的恒流源进行此类老化,以期在短时间内判断LED的质量预期寿命,并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。 有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器 近年来,发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步:已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后,LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓: 汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。 大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样,LED不能过热,以免加速输出的减弱,或者导致最坏状况:完全失效。与白炽灯相比,虽然大功率LED具有更高效率,但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而,可靠的运作就需要良好的散热,并要求在设计阶段就考虑高温环境。   设计LED驱动电路尺寸时,也必须考虑温度因素:必须选择其正向电流,以确保即使环境温度达到最高值,LED芯片也不会过热。随着温度的升高,就需要通过降低最高容许电流,即降低额定值,来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。

有关此类曲线,参见图1。

图1 LED降频曲线

利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端:在高温区域内,LED则超出规格范围运行。此外,当处于低温区域时,照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示,通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处:
*在室温下增加正向电流,从而增加光输出
*因为可以减少LED使用量,所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称IC)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本
*实现无需IC控制的驱动电路设计,此电路亦可使LED电流随温度改变
*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED
*过热保护功能提高了可靠性
*带散热片的热机械设计更为简单
大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点:即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来,流经LED ILED的电流取决于Rout,即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变,因此LED电流也不受温度影响。
将固定电阻换成随温度变化的电路,即可实现对LED电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。
示例1:有反馈回路的恒流源
图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时,LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。


图2 LED的传统驱动方式

图3所示为上一电路改良型:此电路借由PTC热敏电阻,生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及Rparallel,此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中,LED电流可经由下列方程式计算得出:
图3所示电路阐明了LED电流(参见图3)的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较,使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%,并且LED亮度也能提高同等百分比。


图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频
示例2:调节电阻与LED无串联的恒流源
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路:电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下,调节电阻并未与LED串联。Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。因此,运用20kW的串联电阻和TLE4241G型驱动IC,最终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型,其中也含有一个PTC热敏电阻,尽管此处采用WHPTC热敏电阻。在感测温度,元件电阻可达4.7kW,且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值精确系列)。
图4所示为随外界温度而变化的LED电流。固定电阻Rseries容许误差范围小,在低温时支配总电阻。只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时,由于PTC热敏电阻的阻值开始增加,电流才会开始下降。在感测温度(总电阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)时的电流大约为23mA。PTC电阻在温度更高时急剧上升,迅速引发断路,从而避免因温度过高出现故障。



图4 无分流测量之温度记录
示例3:无IC简单驱动电路
如图2所示电路3,LED也可在无驱动IC的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。稳压器生成5 V的稳定电源电压Vstab,以避免电源电压出现波动。LED在Vstab处运作,电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。在这类电路中,通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流,在此等式中,VDiode是一个LED的正向电压:
另一做法是将WHPTC的径向引线式PTC热敏电阻以及两个固定电阻相组合后,替代上述固定电阻,如图所示。
由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身,因此需要选择一个较大的径向引线式元件。PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热,因此会一直减少电流,无论环境温度为何(如图5所示)。并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流,但此方案仍存在局限性。


图5 无需IC的温度补偿驱动电路

  电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用,因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要,因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭LED,因此,电流不会降至低于下列等式计算的所得值:

这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要,因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。
背景资料:LED的温度依赖性

  像所有半导体一样,LED的最高容许结点温度不能超过,以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下,那么外界温度升高时,最高容许正向电流则必须下降。不过,如果运用散热器,在特定的外界温度时正向电流可以增加。LED的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色LED,白色LED则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长,不过,安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用,这是因为随着结点温度的上升,发射光会降低。

  此外,当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时,发射光的主波长会以+0.1 nm / K的典型速率增长。 各种白光LED驱动电路特性评比 1996年,日亚化学的中村氏发现蓝光LED之后,白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件,因此,有关白光LED性能的改善与商品化应用,立即成为各国研究的焦点。目前,白光LED已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性,一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源,因此,各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。鉴于此,本文就LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。 1 定电流驱动的理由
1.1 白光LED的光度以顺向电流规范
白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时,最小为3.0V,最大为4.0V,也就是若单纯施加一定的顺向电压时,顺向电流会作大范围的变化。


 

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