延长 LED 灯泡的使用寿命

取代全球最大国家强制要求的白炽灯照明正在推动向固态照明的范式转变。LED 照明与替代照明技术相比具有显着优势，尤其是随着每瓦流明的增加和每流明成本的降低。与传统白炽灯泡相比，这些替代技术的主要优势之一是灯泡的实际使用寿命及其每瓦时的成本。传统白炽灯泡的预期寿命为 1000 小时(1)，而 LED 灯泡的预期寿命可达 50,000 (2) 数小时的工作时间，而仅消耗大约 20% 的功率以获得等效的光输出。但如果没有正确的预防措施，近 25 年不更换灯泡的崇高承诺可能会落空。

随着 LED 技术被接受为具有成本效益的白炽灯替代品，这种设计方法提出了一些挑战，可能会导致基于 LED 的灯泡的使用寿命缩短。驱动器电路与传统调光器技术的兼容性和 LED 本身的复杂性和可靠性是需要解决的问题，以便最大限度地延长使用寿命。

与相对脆弱的白炽灯和卤素灯泡相比，固态照明技术的稳健性是吸引消费者的关键特征之一。然而，LED 需要直流电流才能正常工作，并且需要由电路驱动，该电路将标准交流线路电压转换为可用电平。为了使基于 LED 的灯泡与标准灯座兼容，需要将驱动电路集成到灯泡中，这会增加潜在的故障机制，除非处理得当。以前可用于 LED 灯泡的传统 LED 驱动器技术需要大量外部组件、昂贵的隔离组件和特殊的设计考虑，以避免在与调光器交互时长期降低关键组件(例如电解电容器)，这通常用于家庭中。世界。

灯泡内部的驱动电路集成现在使灯泡容易受到可靠性问题的影响，例如婴儿死亡率或降低的 MTTF(平均故障时间)率。MTTF 是测量第一次故障之前的时间量，通常是根据组件的数量和组件的类型，使用电路中每个组件的 FIT 率(及时故障，相对于 1,000,000,000 小时测量)来计算的。由于驱动电路将高交流电压(100V AC /220V AC) 降至可用于为 LED 供电的直流电压，出于安全原因，必须进行电气隔离。在典型的电气隔离 AC-DC 转换器中，反馈通过光隔离器(或光耦合器)从次级侧提供给初级侧的控制器，光隔离器是一种将电信号转换为光的分立元件，将该信号通过一个隔离屏障，然后将其转换回电信号。

由于与半导体元件相比，光隔离器具有更高的 FIT 率，因此它们降低了整个电路的 MTTF 等级。此外，由于老化效应，光耦合器的电流传输比会随时间和温度而变化。这会影响电源的环路稳定性，从而降低 LED 驱动电路的寿命。虽然许多 LED 灯和灯具可能在较高的 PCB 温度下运行，但必须消除薄弱环节才能实现所需的长寿命。

一次侧数字控制技术，该技术允许使用实时波形分析通过隔离变压器的一次侧检测 LED 电流。这消除了对来自输出的直接反馈的需要，同时为 LED 灯串保持非常严格的恒定电流调节。该技术的一个重要的额外好处是内部反馈环路补偿，简化了设计并移除了外部组件。通过减少外部元件数量并取消光隔离器(FIT 率最高的元件)，LED 驱动电路的可靠性提高，从而提高了整个灯泡的整体可靠性。

今天制造的 LED 灯泡还需要向后兼容当今家庭住宅中已经采用的家庭照明技术。调光器用于为家庭提供氛围，LED 照明作为白炽灯泡的替代品的一个好处是 LED 可以很容易调暗以匹配白炽灯泡的特性，而紧凑型荧光灯则不能。LED 驱动器需要管理多个因素来支持调光器功能，包括调光器检测、兼容性和光闪烁。然而，为了延长灯泡的使用寿命，主要关注的是调光器与 LED 驱动器一起使用时的耐用性。典型的 A 灯白炽灯泡是纯电阻性的。当使用调光器来控制 A 灯的亮度时，

新的LED 驱动器采用两级方法，其初始升压转换器具有双重功能，首先为调光器提供负载所需的阻抗，减少浪涌电流，其次将输入电流带回相位与线电流，提高整个电路的功率因数。这使得灯泡不仅使用寿命更长，而且还可以提供高功率因数。

提供初级侧控制的数字控制模块还包含用于检测和操作市场上几乎所有调光器的算法，使该设备与现有调光器技术具有非常广泛的兼容性。相同的算法还控制斩波电路，从而优化斩波电路的动态输入阻抗，以提高功率因数并降低浪涌电流。

与基于 LED 的灯泡的使用寿命同样重要的问题是 LED 的预期寿命。与任何其他半导体元件一样，LED 的工作结温越高，器件的预期寿命就越短。确保长使用寿命的一种方法是降低驱动 LED 的电流，并简单地使用更多 LED 来产生特定的光输出，从而减少每个 LED 产生的热量，从而降低结温。这种方法可以延长使用寿命，但代价是需要更多的 LED，并且不能适应外部因素，例如灯具的物理特性，这些因素可能会导致热量高于预期。

第二种方法是优化最大 LED 电流，然后建立所需的最大结温，在该结温下需要降低 LED 电流以防止退化。现在有用于 LED 驱动的数字控制器实现了两级保护方案，允许设计人员通过使用单个外部设备对最大 LED 温度进行编程。一个 NTC(负温度系数)电阻器可以物理地放置在 LED 集群附近并用作温度监视器。NTC 电阻器连接到 LED 驱动器 IC，然后使用该温度反馈装置来保护 LED。图 3 中所示的设备使用 NTC 设备来保护 LED 灯泡中的 LED。

如果达到最大编程温度阈值，控制器会以 10% 的增量降低 LED 电流，直到温度稳定。如果温度下降，LED 电流会以相等且相反的 10% 增量逐步回到其最大编程值，并具有适当的滞后量以防止振荡。还有一种故障安全模式，在发生重大故障事件时，流经 LED 的电流会减少到编程输出电流的 1%。这种过温保护 (OTP) 拓扑为 LED 灯泡的设计提供了灵活性，让您高枕无忧，让灯泡在极端工作条件下得到充分保护。

LED 已经发展到成本和光输出在竞争解决方案中达到平衡的地步，并且现在正在获得动力，作为家庭白炽灯泡的现实替代品。这项新技术成功的关键在于驱动程序的实施。除了每个设计师都在努力优化的明显的效率和成本参数外，温度、调光控制和可靠性等附加因素是保证 LED 承诺的长使用寿命的真正关键。参考：