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2011年LED照明市场与技术概览

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一粒金砂(初级)

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发表于 2011-2-10 11:39:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
绿色照明应用热潮已经到来,LED照明则成为不可逆转的趋势。2012年,日本将全面禁用白炽灯,东芝照明技术更是决定在2012年之前停产普通白炽灯泡,关闭全部生产线。台湾地区相关部门也宣布,截至2012年底全面禁止高能耗的白炽灯泡的使用。而欧盟早在2009年就开始推广紧凑型荧光灯和LED照明,以期在2012年,让白炽灯退出欧盟市场。美国将从2012年开始,禁售大多数白炽灯泡,开始逐步淘汰40W、60W、75W及100W白炽灯泡。

   从全球范围来看,2012年都将是传统照明退出市场,新照明技术全面普及的关键一年。发改委预计,中国将在未来不到10年的时间内禁售白炽灯,目前也已经到了大力推广的阶段,如广东省政府发布的《广东省LED产业发展规划》提出,将于“十二五”期间推广3000万只室内LED灯,并在社区建设中,将按照30%-50%的比例提供补贴,引导居民购买LED灯。

   为了在2012年达到既有目标,产业链从芯片厂商、元器件配套厂商、灯具制造商到分销渠道都在积极推出产品——这一现象也将在2011年得到非常明显的体现。有报道指出,2011年全球LED照明产值比重将达10%,无疑将会给LED照明相关产业提供多层次的商业机会。

从下面的报道中也可以看到LED照明市场的现状:

LED照明成趋势 市场起飞指日可待
低碳节能LED照明先行 市场潜力巨大
LED照明已处于启动临界状态
LED产值高达96亿美元照明应用加速
LED照亮中国
 

LED照明技术方案与趋势

   这样的背景下,LED照明技术的现状如何?能否在2012年全面应用之前做好充足准备?本期半月谈聚焦与LED照明相关的电源模块、驱动方案、热管理技术、连接器和电路保护技术,通过技术层面分析LED照明在光源、电源转换、控制与驱动、热管理等方面的挑战,并结合目前主流元器件公司产品,分析 LED照明的未来发展趋势以及对元器件市场带来的机遇。
 
1)LED照明电源和驱动方案的选择

   在LED 照明设计中,驱动方案一般来说有两种:线性驱动和开关型驱动。

   线性驱动应用是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。在照明级白光LED应用中,虽然存在着效率低、调节性差等问题,但是由于其电路简单、体积小巧,能满足一般要求,因此在一些特定的场合应用较多。

    而开关型驱动可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率,应用方式主要分为降压式和升压式两大类。降压式开关驱动是针对电源电压高于LED的端电压或者是多个LED采用并联驱动情况下的应用。升压式开关驱动是针对电源电压低于LED的端电压或者是多个LED采用串联驱动情况下的应用。

各种驱动方式应用范围如下图:

各种驱动方式应用范围


   关于采用隔离型还是非隔离型驱动方案,一般认为,隔离型驱动安全但效率较低,非隔离型驱动效率较高,应按实际使用的要求来选隔离型/非隔离型驱动方案。

   就电路结构而言:目前的隔离型方案多是AC/DC的反激式(Flyback)电路方案,因此相对电路较复杂、成本较高。非隔离型基本是采用DC/DC的升压(Boost)或降压(Buck)电路,则相对电路较简单,因而成本也相对较低。隔离型的恒流精度可以做到±5%以内,而非隔离型则很难做到。

   在应用领域:目前在以市电为输入电源的LED灯具中(特别是驱动与光源一体的灯具),本着安全第一的原则,基本已不再采用非隔离型方案。但LED日光灯管例外,由于受到结构和空间的制约,仍还用非隔离型方案。在低压供电的LED灯具中,以效率和成本优先的原则,非隔离型方案是最佳的选择。

   提供照明驱动IC的半导体厂商包括恩智浦半导体、安森美、美国国家半导体、TI、罗姆……如恩智浦的SSL210x系列市电调光LED照明驱动方案具有启动快、深度调光和长寿命的特点,市场表现相当出色。安森美的照明解决方案能满足不同功率范围和电源供电方式(AC/DC、DC/DC)的需要。美国国家半导体的Powerwise解决方案具有“高亮度、低功率”的特点,广泛应用在户内、外照明系统以及汽车照明系统多个应用领域。TI 提供LED通用照明的电源管理解决方案,产品包括多级串联LED驱动器、用于AC 前端转换的的各种LED照明驱动器控制器、DC-DC控制器,DC-DC LED 恒定电流转换的SWIFT系列同步降压DC/DC转换器。ROHM在超小型LED方面技术领先,不仅拥有PICO系列的各种LED产品线,近年来更在可调光LED驱动方案方面进展迅速。

更多LED驱动方案的选择和设计文章如下:

LED照明驱动选择与设计技巧大揭秘
LED照明电源电路设计问答精粹
LED驱动电路的控制方案
不同功率等级的LED照明驱动方案介绍
LED的高效驱动

2) LED照明热管理方案

   热管理是LED系统设计一个重要的部分,而通过电路实现温度补偿功能进行热管理是一个既经济又可靠的方法。目前大多数LED灯具生产商都将LED的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源,因此,当LED周围温度高于安全温度点时,工作电流就不在安全区内,这将导致LED的寿命远低于规格书的数值甚至直接损坏。而LED周围温度过高是由LED自身发热导致,目前有两个办法可以解决这个问题。
 
   一种办法是使用导热性更好的散热装置,减小LED芯片至环境的热阻,控制LED内部温度不至比环境温度高太多,但这需要较高的成本。此外,难以避免的问题是,当散热装置使用一段时间后在灯体外壳的散热片上沉积灰尘,以及铝合金基敷铜板上连接铜层和铝基板的介质层老化脱胶都将导致热阻较大幅度地上升,导致整体散热性能下降。

   另一种办法是使LED工作在安全区边际,这样既满足在安全温度点内输出电流、输出功率工作在额定状态且恒定,而且在高于安全温度点输出电流按比例下降进行负补偿,保证LED使用寿命,这就是温度补偿的含义。

   散热检测功能也非常重要。我们可通过检测NTC上的电压来检测LED灯的温度变化。检测到的电压与NTC的温度有直接关系,而NTC的电阻会随NTC及其周边电路温度的升高而下降。使用NTC确定温度有两种基本方法。

   方法一:在系统强制实施已知电压的分压器电路中使用NTC,并随后测量NTC节点上的电压。NTC温度升高时,电阻减小。电阻减小将导致分压器比的变化。NTC节点的电压也会随温度升高而下降。

   方法二:强制已知电流通过NTC,并测量NTC上的电压。NTC温度升高时,电阻减小。根据欧姆定律,电阻减小将改变NTC节点上的电压。如电阻减小而电流保持不变,NTC节点上的电压也会下降。

   就改进操作、提高安全性而言,这两种监控LED灯温度的方法实施起来都很简单直接。图1是使用LED作为升温源头的这两种方法的原理图。

使用LED作为升温源头的这两种方法的原理图


普通LED添加NTC后,就能以可控顺序在温度达到预设限度时关闭LED灯。

更多关于热管理的方案:
高功率LED照明设计中的散热控制方案
LED散热基板的设计及分类
有效提高高功率LED散热性的分析
LED灯的散热管理的低功耗设计
大功率固态照明热阻处理技术设计

   3)LED 照明连接器

   由于LED的使用寿命通常都很长,所以照明设计者会不断寻找经受得住恶劣环境考验的、公认的互联解决方案。使用寿命长且更高端的应用需要稳定的连接器,而不是典型的、面向消费类应用的互联(其设计用于手机这类每年或每2年即更换一次的产品)。对于连接器制造商而言,这会推动下一波连接器开发,让标准的、公认的连接器变得更耐用,从而保证实现更长的使用寿命和保持较高的性能水平。

   FCI推出了适于各种LED应用的连接器系列:从栅距为2.54mm和2.00mm的Basics+连接器、Dsubs、稳定的夹层连接器 1.00mm Conan与0.80mm BergStak,到广泛的FFC/FPC连接器和即将推出的创新型0.50mm无极性MezzoStak。

   泰科电子的无极性插片及插座连接器系列经常被用在LED照明解决方案中。最新的无极性插片及插座连接器增加了线对板功能,为客户提供了一套完备的连接方案,使其可以快速、灵活地连接照明模块。

   采用无极性插片及插座设计的小型设计的板端连接器,相比传统极性设计,能够提供更为灵活的LED印刷电路板带安装方式。全新连接器可以通过水平或垂直滑动 结合两片电路板来完成连接。独特的垂直滑动连接设计,使替换灯串中部的电路板更为便捷,因为只需提起待替换的电路板然后放入新电路板即可。

   泰科电子的LED灯条连接器应用于拥有照明控制及LED发光模块的照明设备中,使其中的铝基印刷电路板间的连接变得更加简易而快捷。

更多内容请参考:

连接器的选择
连接器各构件设计重点总结
2010中国连接器和功率器件市场供求趋势调查

4)电路保护技术

    电源的质量问题\用户的不当使用等等原因造成的供电电压的突然升高、线路中某个元件或印制线条或其它导线的短路而形成LED供电通路的局部短路导致这个地方的电压增高、某个LED因为自身的质量原因损坏因而形成短路、灯具内的温度过高、灯具内部进水、防静电处理不当等等原因都有可能造成LED照明系统的损坏。

    理想的保护方案应该能够在超出正常使用电流时能立即启动保护,让LED的供电通路断开,使LED和电源都能得到保护;在整个灯正常后又能够自动恢复供电,不影响LED工作,所加的电路不能太复杂体积不能太大,成本要低。

   瞬态电压抑制二极管(TVS) 是一种二极管形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时,能以10的负12次方秒极短时间的速度,使自己两极间的高阻立即降低为低阻,吸收高达数千瓦的浪涌功率,把两极间的电压箝位在一个预定的电压值,有效的保护了电子线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极管具有响应时间快、瞬态功率大、 漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

   热敏电阻PTC也经常被用到。当正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时,PTC自恢复保险丝呈低阻状态;当电路中有异常过电流通过(或环境温度 升高)时,大电流(或环境温度升高)所产生的热量使聚合物迅速膨胀,也就切断了导电粒子所构成的导电通路,PTC自恢复保险丝呈高阻状态;当电路中过电流 (超温状态)消失后,聚合物冷却,体积恢复正常,其中导电粒子又重新构成导电通路,PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。它的体积小,成本低,可反复使用,实现了保护的自动启动自动退出;它是固态封装耐冲击不容易被损坏。

    安森美的保护方案、瑞侃的PPTC等电路保护产品、Vishay的电路保护二极管等等常被用在LED照明电路保护解决方案中。开路保护方面,LittelFuse的PLED LED开路保护装置常为大功率LED的电路设计所采纳。PLED装置与串联灯串中的每个LED并联。 如果某个LED无法开路,则与其连接的PLED会接通并将本应通过该故障LED的电流导向PLED。 这确保了灯串中的其它LED能够正常工作,因此熄灭的仅仅是单个LED而非整个灯串。

    AEM科技作为专业的片式电路保护元器件的制造商,针对LED行业也开发了两款新产品GcDiodeTM ESD和AirMatrixTM AF2系列贴片保险丝。AF2贴片保险丝能用于LED照明的交流端,它不仅能用于室内照明还可以用于户外照明。AF2的体积只有 6.1mm*2.5mm*2.2mm,身形娇小但是却可以承受250VAC的电压。GcDiodeTM ESD产品主要用于静电保护,特别是对接口部分的静电保护非常有效。如HDMI、1394接口、USB2.0、USB3.0。它最主要的优点是能比压敏电阻承受更多冲击次数,衰减速度比较慢。

    PLED装置有助于保护LED免受附近雷击和ESD影响造成的浪涌。 此外,PLED包含的反向电流二极管可在电源的正负极接反时保护LED灯串。

更多内容,请参考:

LED照明的过流保护器件应用要点
探讨几种LED保护电路设计方案
LED区域照明的电源、保护及联网方案
LED灯的最新保护技术

   以上关于LED照明的相关话题其实已经被广泛讨论,但从长远来看,2011年仍旧会成为热点. 更多LED相关内容参考:http://www.elexcon.com

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五彩晶圆(初级)

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发表于 2011-2-10 12:10:42 | 显示全部楼层
LED市场是很大的,未来几年内前景也是非常好的!~
QQ:1625345502


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一粒金砂(初级)

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发表于 2011-2-10 13:26:43 | 显示全部楼层
个人感觉LED灯是黑暗中的一盏灯,人到灯之间还有一段很长的黑暗。
LED灯的价格高,寿命短,体积重等一些问题还有得解决。


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