LED照明系統(tǒng)可靠性設(shè)計

董玉亮

摘要：當(dāng)今社會，綠色、環(huán)保的概念被廣泛接受，在照明領(lǐng)域，LED充當(dāng)了這樣的角色。LED燈珠具有高光效、長壽命的特點，固態(tài)封裝使其不會產(chǎn)生汞等重金屬污染。從技術(shù)發(fā)展的角度講，LED照明終將替代傳統(tǒng)照明，成為各行業(yè)廣泛使用的照明方式。想充分發(fā)揮LED燈珠的長壽命的優(yōu)點，需要設(shè)計可靠的LED照明系統(tǒng)。LED系統(tǒng)可靠性由燈珠、驅(qū)動、鋁基板三部分共同決定。研發(fā)工作者對燈珠和電源的認(rèn)知很深刻，但往往忽略對鋁基板設(shè)計的重要性。該文介紹燈珠、驅(qū)動特性的同時，重點分析幾種鋁基板設(shè)計方式的差異，并提出一個良好的電流控制電路來做反饋，使系統(tǒng)性能更加可靠。

關(guān)鍵詞：LED系統(tǒng)；燈珠；驅(qū)動；鋁基板設(shè)計；電流控制電路

中圖分類號：TM923 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）24-0147-04

Reliability Design of LED Lighting System

DONG Yu-liang

（Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Abstract： In today's society， green， environmentally friendly concept has been widely accepted. in the lighting field， LED act as such a role. LED lamp beads with high luminous efficiency， long life， solid package that it does not produce mercury and other heavy metals. Speaking from the perspective of technology development， LED lighting will eventually replace traditional lighting， lighting the way to become widely used in various industries.If want to give full play to long-life LED lamp beads，you need to design the reliable LED lighting system. LED systems reliability is determined by three parts： lamp beads， drive， aluminum plate. Research and development worker awareness lamp beads and power is very profound， but often overlook the importance of the aluminum plate design. This article describes the lamp beads， driving characteristics， while focusing on the analysis of several differences in the way the aluminum plate design， and made a good current feedback control circuit to do to make the system more reliable.

Key words： LED system； lights beads； drive； aluminum plate design； the current control circuit

1 概述

LED照明優(yōu)勢的發(fā)揮，需要充分挖掘其高光效、長壽命的特點。從燈珠角度講，好的芯片、封裝工藝、材料是關(guān)鍵。從系統(tǒng)角度講，好的驅(qū)動模塊、散熱設(shè)計是關(guān)鍵。無論是燈珠、電源的選型，還是結(jié)構(gòu)件的散熱設(shè)計都為廣大LED廠商所熟知，在設(shè)計產(chǎn)品的時候也充分考慮了這些因素所造成的影響。而作為LED承載者的鋁基板的電路設(shè)計，卻往往被忽視，本文在介紹LED系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點的同時，重點分析LED不同的串并方式所引起的穩(wěn)定性差異，進而提出帶電流控制電路的方式，增加系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。

2 LED系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點

2.1 燈珠方面

從系統(tǒng)的可靠性上講，選用國際知名廠家的LED燈珠肯定是有更好的性能表現(xiàn)。但考慮到產(chǎn)品的市場定位和成本控制，則需要在保證性能的同時選用價格低廉的燈珠。燈珠選型一般需注意6個參數(shù)：熱阻，光束角，最大驅(qū)動電流，電氣特性，電流-光通量相對曲線，電流/溫度-相對色度曲線。

如下表1為常見燈珠廠家的熱阻情況，熱阻是決定整燈熱設(shè)計的重要因素。從原理上來說，芯片不良的電極結(jié)構(gòu)，窗口層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構(gòu)成LED器件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過PN結(jié)時，同時也會流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致芯片溫度或結(jié)溫的升高。

光束角是整燈配光的決定性因素，無論使用透鏡，還是反光器材，都需要針對單燈的光束角進行設(shè)計。一般來說，常見2835燈珠光束角為120°左右，隨著燈珠光源面變大，為方面二次配光，燈珠光束角會有所下降，如3535燈珠光束角常為115°。

最大驅(qū)動電流是燈珠損壞的閥值，設(shè)計系統(tǒng)時，充分考慮電源的浪涌和外界的沖擊，做防護設(shè)計和余量設(shè)計，避免燈珠因大電流沖擊而產(chǎn)生開路失效的情況。

電氣特性反映了電流值所對應(yīng)的燈珠實際電壓，對于系統(tǒng)功率和電源選型有重要作用。電流-光通量相對曲線反映了電流值對應(yīng)的光通量比例，隨著電流的增大，光通量輸出增大，但是增加的幅值在減小，因此驅(qū)動在大電流時，光效會有所下降。即使考慮進電壓溫度系數(shù)的負(fù)特性，也無法改變整體的下降趨勢。

電流/溫度-相對色度曲線反映電流、溫度對燈珠色度的影響，當(dāng)驅(qū)動電流過大或溫度過高時，均對燈珠的色坐標(biāo)產(chǎn)生影響，從而影響燈珠的色容差值。目前市場上能接收的產(chǎn)品色容差至少應(yīng)低于7，隨著封裝工藝的改進，這個值還在進一步降低中，CREE已經(jīng)開發(fā)出了MacAdam Ellipse在2級以內(nèi)的產(chǎn)品。

另外應(yīng)特別注意燈珠在硫化環(huán)境中應(yīng)用時的選型，目前中小功率燈珠一般采用EMC或塑料支架，這類支架的老化性能和密封性不佳。長期在硫化物含量高的場合下，會使封裝底部的鍍銀層硫化變黑，導(dǎo)致燈珠光效嚴(yán)重下降乃至失效。陶瓷支架的燈珠會有更好的防硫化效果，如戶外照明用的3535燈珠。

總之，燈珠的選型應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、光參數(shù)要求、散熱需求、系統(tǒng)成本等方面綜合考慮。

2.2 電源、散熱方面

LED的電氣部分性能主要是通過電源來實現(xiàn)，因此電源的設(shè)計或選型將具有重要的作用和意義。

從電源效率方面講，LED驅(qū)動主要分為線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)調(diào)節(jié)器。簡單來說，線性驅(qū)動LED的原理是在LED燈珠負(fù)載里串接MOSFET，讓MOSFET閉環(huán)受控于LED負(fù)載電流，工作在線性區(qū)，使線路產(chǎn)生“恒流—變壓”效果，這樣在LED負(fù)載通過的就是恒定電流，而串接的MOSFET承受了變化的電壓。開關(guān)電源驅(qū)動是通過高頻開關(guān)，磁性元器件，將交流市電轉(zhuǎn)換為LED需求的電壓、電流。開關(guān)電源驅(qū)動又分為隔離和非隔離兩種。

線性高壓方案的特點是線路簡單，電路工作在工頻線性模式，省去了高頻電感，同時沒有EMI問題。線性高壓方案經(jīng)歷了阻容降壓，單段線性到現(xiàn)在的分段開關(guān)線性方案，在效率、PF、Vin范圍等方面性能有了明顯提升。但線性方案的原理決定了其工頻頻閃明顯、燈珠使用率低、抗電壓波動能力差的缺點。不能使用在環(huán)境苛刻，壽命要求高的場合。

開關(guān)電源方案效率高，一般LED系統(tǒng)用的恒流源驅(qū)動效率在90%-93%之間。值得說明的是，并不是所有的LED驅(qū)動都是恒流源。照明用LED設(shè)備應(yīng)用驅(qū)動的常為恒流源，亮化類產(chǎn)品、情景光源等對LED燈珠光通量以及壽命要求低的場合，應(yīng)用的驅(qū)動多為恒壓源。

LED系統(tǒng)可靠性設(shè)計中很重要的一環(huán)是良好的散熱設(shè)計，無論是燈珠還是電源，它們的壽命都和散熱有關(guān)。燈珠的L70/B10一般是根據(jù)LM80中的熱學(xué)評估來做的推測，如某燈珠的LM80中描述，燈珠驅(qū)動電流700mA結(jié)溫85℃時，壽命大于54000h。電源的壽命主要由電感、IC的極限溫度，以及電解電容的優(yōu)劣及其介質(zhì)損耗決定。

合理設(shè)計電源、光源的散熱系統(tǒng)，是保證LED系統(tǒng)可靠性的前提。

2.3 鋁基板設(shè)計方式對比及穩(wěn)定設(shè)計

LED系統(tǒng)的可靠性除上文提到的燈珠、驅(qū)動以及散熱系統(tǒng)需合理設(shè)計外，更與LED燈珠的連接結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為燈珠的使用電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定值時，壽命將受到嚴(yán)重影響。而且如果燈珠電流差異性較大，將使系統(tǒng)的亮度不均勻，照明效果變差。

LED燈珠的不合理應(yīng)用體現(xiàn)在兩點：亮度下降和燈珠損壞。亮度下降主要由驅(qū)動電流不足造成，燈珠損壞一般在極端情況下才會發(fā)生。當(dāng)前的大功率燈珠內(nèi)部集成齊納二極管，并加強了對金線的保護，使得常出現(xiàn)的損壞模式是短路。但如果電流過大，齊納二極管損壞，還是會造成斷路。

LED燈珠的電壓Bin是一個0.1或0.2V的范圍，在額定電流下同一批燈珠的電壓值在這一范圍內(nèi)。如型號為OSLON Square CSSRM1.PC 檔位為L2的燈珠，意味著在額定電流700mA，燈珠結(jié)溫85℃時，這些燈珠的電壓為2.7-2.8V。同一批包裝的燈珠中，最小電壓為2.7V，最大電壓為2.8V，中間電壓為2.75V。datasheet中顯示的伏安特性曲線如下圖，可近似的將曲線斜率看為4A/V。

圖1 OSLON Square CSSRM1.PC的伏安特性曲線

下面采用CSSRM1.PC燈珠，針對常見的鋁基板設(shè)計方式：先串后并、串并混連、單串進行逐一分析。

1） 先串后并形式

先串后并的連接形式圖2（a）所示。LED串電壓為典型值2.75V時，此LED串的電流為700mA。電壓為低電壓2.7V時，LED串的電流為500mA。電壓為高電壓2.8V時，LED串的電流為900mA。最壞情況下，LED串的電流相差700mA±～28.6%。

燈珠的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)Tk=-1.83mV/K，因此當(dāng)溫度升高時，正向電壓會下降。電流高的LED串的電壓下降比電流低的LED串多，這將加劇電流的不均勻性。但是溫度對電流的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LED的Vf值差異對LED電流的影響，因此在分析中不再考慮溫度的微弱作用。

當(dāng)系統(tǒng)中一顆燈珠短路時，由二極管的伏安特性可知，這一串燈珠的電流將急劇增大，遠(yuǎn)超過LED燈珠的安全使用電流，因此這串LED燈珠迅速失效，系統(tǒng)可靠性嚴(yán)重受影響。

當(dāng)系統(tǒng)中一顆燈珠斷路時，燈珠的電流變化情況如圖2（b）。出現(xiàn)斷路燈珠的這串所有燈珠電流均變?yōu)?。電路總電流不變，其他串上的電流都將增大。電壓為Vfmin的一串電流將變?yōu)?133.3mA，電壓為Vfmid的一串電流將變?yōu)?33.3mA，電壓為Vfmax的一串電流將變?yōu)?33.3mA。這3串電流都增大，燈珠的亮度、發(fā)熱量也將增加，從LM80來看，如果系統(tǒng)的散熱良好，則其可靠性所受影響并不嚴(yán)重。

2） 串并混連形式

串并混連的連接形式如圖2（c）所示。LED串電壓為典型值2.75V時，LED串的電流為700mA。電壓為低電壓2.7V時，LED串的電流為900mA。電壓為高電壓2.8V時，LED串的電流為500mA。最壞情況下，LED串的電流相差700mA±～28.6%，此時混聯(lián)方式與先串后并方式的電流差異相同。

當(dāng)系統(tǒng)中一顆燈珠短路時，燈珠的電流變化情況如圖2（d）。和它并聯(lián)的3顆燈珠電流變?yōu)?mA，其余燈珠的電流不變。這會造成3顆燈珠的失效，其余燈珠的壽命不受影響，系統(tǒng)的照明效果有所下降。

當(dāng)系統(tǒng)中一顆燈珠斷路時，燈珠的電流變化情況如圖2（e）。和斷路燈珠并聯(lián)的3顆燈珠電流將變大，電壓為Vfmin的一串燈珠電流將變?yōu)?133.3mA，電壓為Vfmid的一串燈珠電流將變?yōu)?33.3mA，電壓為Vfmax的一串電流將變?yōu)?33.3mA，其余燈珠的電流不變，理論上系統(tǒng)只會出現(xiàn)一顆燈珠的失效。同上文一樣，若散熱設(shè)計合理，系統(tǒng)可靠性受影響較小。

通過簡單的對比來看，在最壞情況下，混聯(lián)的方式比先串后并的方式更加可靠。但值得說明的是，實際貼片時，最壞情況很少出現(xiàn)，各電壓Bin的燈珠會無次序的貼片。先串后并的方式反而會降低每一串燈珠的電壓bin差異性，進而會使各LED電流差值變小，燈珠的亮度差異性和可靠性得到較好保證。

3） 采用單串形式

單串形式的連接方式，恒流源700mA驅(qū)動時，所有燈珠驅(qū)動電流均為700mA，電壓因電壓Bin而略有差異。因為燈珠的光通量主要由驅(qū)動電流Vf和溫度Tj有關(guān)系，尤其是Vf的作用至關(guān)重要，因此燈珠的亮度基本一致。

當(dāng)某顆LED出現(xiàn)短路時，電路中其他燈珠均能正常工作。整個電路的電壓通過電源自適應(yīng)到最佳狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的壽命和可靠性。

當(dāng)某顆LED出現(xiàn)斷路時，整個電路電流將變?yōu)?，系統(tǒng)失效。

前文已經(jīng)提到，目前大功率LED產(chǎn)品內(nèi)部增加了齊納管，只要控制好電流不使出現(xiàn)過大的問題，則單串模式是最佳的電路連接形式。

4） 限流電路的反饋

一種良好的電流控制電路圖3所示：

VCC電壓從某顆LED燈珠的正極取電，GND從某顆燈珠的負(fù)極取電，這兩顆燈珠之間的壓差應(yīng)足以供U1，U2正常運行。U2為基準(zhǔn)電壓源TM431，通過將其基準(zhǔn)的2.5V電壓分壓后為U1A的同向輸入端提供參考電壓0.23V。VDD端輸入的電流在取樣電阻R8、R9、R10上得到同樣的電壓值至U1A反向輸入端，在U1A的作用下，這兩個電壓值相等。取樣電阻阻值應(yīng)足夠小，以免造成不必要的系統(tǒng)功耗。Q1為功率MOS，保證大電流通過時能正常運行，取樣電阻網(wǎng)絡(luò)為0.33Ω，因此LED電路中保持在697mA。

需要特別主要的是運放負(fù)反饋電阻并聯(lián)的C3和R5，C3的作用是減小高頻增益。本電路從LED電路中直接取電，考慮到開關(guān)電源的高頻特性，采用了此方式控制高頻干擾。輸出端的高頻信號有一部分會通過C3返回到輸入端，返回回來的信號跟輸入的信號相位不同，相當(dāng)一部分高頻信號會被抵消掉。

3 性能測試

測試系統(tǒng)采用明緯HLG-40H-48做驅(qū)動，電流可通過內(nèi)部電位器調(diào)節(jié)，最大可調(diào)至840mA。燈珠采用OSLON Square CSSRM1.PC，貼在多個模組上串聯(lián)使用。

帶電流控制電路的系統(tǒng)layout圖如圖4所示。

系統(tǒng)連接好后，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動上電位器的值來改變輸出電流值，測試模組上的電流變化情況。經(jīng)測試，輸入電流700mA以下時，模組上電流和輸入電流一致。輸入電流700mA以上時，測試一個帶限流電流模組，模組上電流控制在703mA?？紤]到元器件一致性問題，對多個模組進行反復(fù)測試，測得最大電流為710mA，電流控制誤差為1.5%。

4 結(jié)束語

本文所述的鋁基板連接和電流控制方式，使LED照明系統(tǒng)得到穩(wěn)定的工作電流，提高了過流抑制能力。這種電流反饋控制方式在筆者設(shè)計的LED照明系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，對于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有很好的效果。

參考文獻：

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