LED照明解决方案的挑战与机遇

发光二极管（LED）非常受欢迎，SSL行业内外几乎没有问题，它是当今最好的照明技术。与其他类型的照明相比，LED的优越性始于其在能效和使用寿命方面的显着优势。 LED灯泡可以提供与传统白炽灯和荧光灯相当的光量，同时消耗的能量只有三分之一。 LED灯泡的使用寿命也比基于更成熟的照明技术的产品长20倍以上。更重要的是，LED灯泡的固态元件比相对脆弱的传统照明技术提供更好的机械损坏保护。总之，这些特性为LED照明解决方案的用户提供了极具吸引力的ROI，特别是在维护和灯泡更换困难和/或昂贵的商业和工业应用中。

由于所有这些原因，美国能源部估计，到2030年，采用固态LED照明将使全国的照明用电量减少四分之一，相当于约190太瓦时和150亿美元，同时减少相当于2100万辆汽车的碳气排放量。

不幸的是，住宅用户并不像商业用户那样关心这些优势。虽然他们可能想要LED，但他们希望以具有竞争力的价格购买LED并且他们并不急于购买LED照明产品，这些产品的价格仍然比紧凑型荧光灯高出两到三倍，并且比六件装更贵。白炽灯，将耗资约8美元。

研究证实，LED用于多种应用。例如，图1显示了许多您将看到LED的地方（特别注意一般照明）。但它没有告诉你的是住宅照明的LED数量与现有照明类型（CFL，白炽灯等）的比较。

同样，虽然成本是住宅市场中一个明显的绊脚石，但它并不是唯一的一个。过早失败是早期采用者的另一个障碍，设计师必须弄清楚如何防止产品崩溃。 LED照明解决方案是一个系统，必须减少许多因素，以确保长寿命的夹具设计。 LED制造商必须继续在热管理，制造差异（降低的装箱公差），整体LED封装坚固性和流明维持方面提高可靠性。本质上，成本和性能通过产品级别的工程设计权衡交织在一起。因此，必须利用对性能（通量，功效和颜色质量）的任何改进来抵消系统成本，以满足客户的需求。降低成本和客户价格的其他可能方法指向通过使用更大的晶圆，LED外延的改进，通过产量和产量的拥有成本，改进的封装技术（磷光体，光学）和改进的制造效率和性能改进的组合封装和灯具设计。

图1：应用程序的打包LED收入。

电源挑战

还需要解决照明电源问题。通常，今天的LED照明系统使用两级电源，其将用于功率因数的第一级升压转换器与第二级高压DC/DC转换器组合。电源中的薄弱环节是电解电容器，用于两级之间的大容量存储。这些大容量电解电容器必须能够承受恶劣的热条件，因为它们在满负荷下连续工作，通常放置在密闭的空间内，例如压载砖或灯泡底座，带有发热电源和高亮度LED。正如您可能已经猜到的那样，电容器的介电材料会降级，并且器件会失去电容并失效。虽然LED照明解决方案中使用的控制器和其他半导体的使用寿命超过100，000小时，而二极管，晶体管和陶瓷电容器的使用寿命几乎相同，但大多数两级电源中嵌入的电解电容器是系统的关键，因为它们具有可操作性。寿命只有大约20，000小时。

解决这一问题的一种方法是使用电源构建LED照明解决方案，该拓扑结构旨在消除易受攻击的电解电容和隔离式反激设计中使用的不可靠的光隔离器。新一代单级功率LED驱动器通过消除这些潜在的故障点来满足这一需求。通过使用高度稳定的陶瓷电容器替换电解电容器，这些电源可以更紧密地匹配LED的更长的生命周期。此外，通过以超过90％的效率运行，同时超过能源之星对PF和THD的要求，这些高度集成的转换器产生的热量更少，并且在此过程中，有助于简化高度紧凑的照明设计中的热管理问题。通常，HB LED灯通常持续45，000小时，但电源通常只持续约20，000小时，因此LED系统的使用寿命是两个组件中较短的一个。¹

LED的热管理挑战是因为LED将多余的热量散发到散热器中。由于LED基座的小尺寸与潜在的高环境温度相结合，可能会导致过热，这会缩短LED的使用寿命。热管理仍然是一项挑战，尤其是在高光输出应用中。然而，考虑到LED制造商在过去二十年中已经能够将封装的热阻降低两个数量级以上，他们已经将自己定位于普通照明领域的巨大推动力。当然必须注意的是，LED灯具的性能和可靠性并不是LED制造商的唯一责任。²

所有短寿命电解电容器都可以通过没有严格电流纹波规格的LED负载来消除，改善司机的保修期。一个例子如图2所示 - 飞兆半导体FL7701。与需要变压器和缓冲器的流行反激式拓扑结构相比，这种智能降压PFC控制器是一种更简单的解决方案，并且可能还需要无源PFC电路。智能降压PFC避免了必须使用两级方法，通常是PFC第一级，然后是第二个DC/DC级（有时是降压拓扑）。

图2：FL7701智能非隔离PFC降压LED驱动器解决方案（由Fairchild提供。）

同时考虑Power Integrations LNK403EG LinkSwitch-PH，它简化了LED驱动器的实现，需要长寿命，高效率，PF》 0.9和TRIAC调光功能。单级组合功率因数和恒流控制器消除了开关级和电解大容量电容器。该器件还无需光耦合器和所有次级电流控制电路，以及控制环路补偿电路。

需要：一种不同的方法

即使成功解决了这些设计问题，消费者没有机会改变LED的主要原因仍然是 - 价格。住宅插座约占全球总数的63％，因此LED灯制造商有理由找到降低其产品价格的方法（参见IMS Research研究²“在全球零售LED灯市场取得成功; 3月2012）。灯价格下降的速度也非常重要，因为LED灯的寿命越长意味着随着现有插座中的更多安装，替换灯的市场将缩小，因为几年内不需要更换灯。

解决住宅市场的另一种方法是利用固态照明的独特特性和优势来帮助指导设计，而不是仅仅用作白炽灯插座的替代品。一些公司正在这样做，并将行业的重点转向整体灯具而不是替换灯具。这种方法可以更容易地充分利用LED照明的功能和优势。有人认为，这种方法将使LED照明产品能够在价格和性能方面更好地与荧光灯和白炽灯产品竞争。

同样，LED模块为照明设计师和制造商提供简单，易于采用的LED照明解决方案，可缩短灯具开发时间并加快产品上市速度。由于Zhaga推动标准化工作，LED照明模块的采用可能会加速，Zhaga是一家旨在实现不同制造商生产的LED光源可互换性的公司之间的行业合作。该联盟目前拥有来自欧洲，亚洲和北美的190多家成员公司。通过为各种专用光引擎定义接口来实现可互换性（LED光引擎被定义为LED模块和相关控制装置的组合）。 Zhaga规格涵盖了LED光引擎的物理尺寸以及光度，电气和热性能。 Zhaga将LED光引擎视为黑匣子，其定义的接口不依赖于光引擎内部使用的LED技术的类型。 Zhaga规范仅定义了LED光引擎的外部。

总之，尽管用于住宅应用的LED照明明显优于现有的LED照明，但是早期故障存在一些问题需要解决，如果制造商想要成功，必须解决最大的价格问题。住宅市场。从技术角度来看，在改进LED灯泡以适应白炽灯泡设计的插座时，需要解决热管理方面的挑战。这些灯具的较高温度可能会损坏LED甚至导致永久性故障。白炽灯泡改造还必须解决诸如封装，线路瞬态抗扰度，高PF，LED电流的低线路频率调制以及与传统调光器开关的接口等方面。所有这些方面都取得了良好进展，如上图1所示，预计未来普通照明应用的LED收入将大幅增长。