LED照明应用家用市场发展趋势

LED在商业照明应用领域已经得到普遍的认可和接受，并开始逐渐渗透到家用照明领域，夏普、东芝、松下、NEC、欧司朗等公司都推出了各自的家用LED照明产品。但是，高昂的价格以及器件可靠性、效率、散热设计等技术挑战制约了LED照明在家庭应用中的普及，因此，如何突破价格壁垒，解决以上技术难题成为半导体厂商首先必须面对的问题。高效、节能、环保、高寿命等特点使得LED成为近年来最具发展潜力的应用之一。

成本是LED进入家用市场的最大障碍

与商业照明应用相比，庞大的消费群使得LED家庭照明市场极受关注，但家用市场对于成本极其敏感，这导致其发展速度缓慢。Maxim公司HB LED产品线业务经理Piero Bianco指出，“制约LED照明进入家庭应用的关键因素是成本。为了与其它技术(荧光灯是其最主要的竞争产品)争夺市场份额，LED灯具的价格必须控制在10至15美元以下。”德州仪器(TI)高级技术市场开拓工程师刘学超对此也有认同，“虽然LED的成本在逐步降低，但和传统CFL节能灯相比，还有一定价格差距。”

LED灯泡的高成本主要来自三个方面，包括大功率LED光源、LED的控制芯片以及为实现良好散热而采用的灯泡外壳材料。通过降低驱动器成本是减少整个LED系统成本的有效方法之一。据Maxim公司的Piero Bianco介绍，利用单级变换驱动器，直接采用交流电源供电，能够有效降低成本。另一种途径是尽可能在驱动器中避免使用电解电容，因为LED灯的工作温度较高，必须选用高级电解电容才能维持足够的驱动电路使用寿命。因此，如果驱动器中不需要使用电解电容，也会节省相应的成本。该公司已经推出了一款单级变换、无需电解电容的LED灯驱动方案。

无疑，技术水平的提高将有助于推动LED照明在家庭中的成功应用。高亮度LED的发光效率在过去几年中已得到巨大提升，随着发光效率、使用寿命、可靠性等的不断提升，LED照明的市场吸引力和应用价值将会不断提高，在家庭中的采用率也将因此而逐步提高。除了价格之外，要想产品真正在家庭市场具有竞争力，高亮度LED照明解决方案还必须提供可调光的选择。通过增加调光功能，以便用户根据实际需要调节灯的亮度，也有助于降低功耗。 

可靠性和散热设计面临挑战

进行LED照明系统设计时，工程师必须应对的关键挑战是在保持极高可靠性同时降低成本。安森美半导体照明及智能电网市场营销总监郑乐康表示，为降低家用LED照明系统的成本，设计工程师往往倾向于使用较低等级的元件，如更低额定温度的电容或精度更低的电阻。如果在家用LED照明系统的电子驱动器部分使用较低额定温度的电容，而这些额定温度较低的电容很可能在使用几年(3到5年)后失效。那么，最后的局面将会是LED照明系统中LED本身的寿命长达5万到10万小时(15到20年)，但电子驱动器由于可靠性问题仅能存续3到5年。因此，工程师在设计时不能以牺牲可靠性为代价，并应确保电子驱动器的可靠性和寿命与LED的可靠性和寿命匹配。

良好的散热管理和高效驱动电路是实现高效LED照明系统的重要保障，“否则将有可能造成系统可靠性降低、光衰甚至产品失效。对于驱动部分而言，高效的热管理同样是必需的，通过提升转换效率可以减少损耗，从而减少热量的产出。从控制器的设计到组件的选择都需要注意。”***聚积科技LED照明产品线项目副经理苏醒强调。散热处理不当将会加速亮度衰减，进而降低产品的亮度与使用寿命。此外，由于LED照明的工作环境比较恶劣(雷击、高温等)，提高LED驱动电源的效率和可靠性成为设计难点。

从传统普通照明转向LED照明还必须满足消费者对产品的高品质要求。立琦科技高级项目经理廖光彬认为，“LED照明的需求与传统照明产品对电源的要求不同，因此，专门为LED照明而开发的电源设计方案显得非常有必要。这些需求包括定电流输出、支持Triac调光、单输入多串输出的设计、低输出功率高PF值、全新的架构以满足高功率低成本要求等。”

Intersil高级应用工程师Tamara Schmitz表示，“消费者要求设计具有至少达到90的功率因数和超过80％的效率。在直流应用中，最大输入电压可超过约40V。在交流应用中，输入电压可能是120V或240V(最大277V)。高亮度LED必须通过运行在120Hz频率的PWM进行驱动，以尽可能减少任何可见的干扰。有时还需改变频率。除了这些设计上的限制，根据应用的不同，可以采用隔离和非隔离设计。”因此，没有一种适合所有应用的解决方案。每个解决方案都是根据LED数量和通过LED的电流专门定义的。根据磁性元件、所选的功率元件和输出电容器的变化，必须对解决方案做出调整。 

LED驱动器IC需实现高效率和可调光

与传统开关电源不同，LED驱动电源需要考虑散热、效率和调光等问题，因而对驱动器IC提出了许多不同的要求。Power Integrations(PI)公司资深产品营销经理Bill Weiss指出，“AC/DC驱动器IC的技术发展趋势是高可靠性、高效率、高功率因数、可调光以及小尺寸。”

据Maxim的Piero Bianco介绍，LED应用对于AC/DC驱动器IC提出了两个关键要求，这也正是它们与传统电源IC的区别。首先，利用三端双向可控硅开关实现调光非常复杂，需要专用的成熟技术。无闪烁调光是驱动器设计所面临的重大挑战，目前还很难找到能够达到这一要求的方案；其次，与电源电路不同，由于LED照明时功耗较大，LED驱动器必须工作在高温环境下。开发能够在高温环境下长期工作的驱动器是对LED驱动器的一个特殊要求。

Maxim开发的交流输入(120VAC和230VAC)照明方案采用单级变换结构驱动LED，该方案可以通过三端双向可控硅开关调节亮度并且不会出现闪烁，由于不需要使用电解电容，可以得到更小的外形尺寸，并有助于延长使用寿命。器件可以配制成隔离(反激型)和非隔离(buck)架构，功率因数优于0.9。

安森美半导体最新推出的NCL30000是一款功率因数校正可调光LED驱动器，采用临界导电模式(CrM)反激架构，以单段式拓扑结构提供高功率因数(＞0.95)，因而省下一个DC/DC转换段。典型应用包括LED嵌灯、LED驱动器电源/驱动器及TRIAC可调光基于LED的灯泡替代。该器件兼容于前沿TRIAC及尾沿晶体管调光器。根据所使用调光器的不同，LED输出可控制到低于2%。

Intersil最热门的HB LED驱动器ISL6745A具备可调节开关频率、可调软启动、过热保护和精确调节的“死区时间”，可以用于隔离或非隔离，以及可调或不可调光应用。

TI 新推出的TPS99210是一颗带PFC功能的LED驱动芯片，采用固定ON-TIME时间级联型Flyback架构实现5W～90W功率LED驱动，同时带可控硅调光，适用A19/E27、GU10、PAR30/38等隔离LED驱动的设计。TPS92010是TI联合Lemnis Lighting推出的一款完整LED照明驱动器参考板，有助于解决成本、调光以及效率三大问题。这款TPS92010 LED灯参考板采用TI通用LED照明半导体技术以及Lemnis Lighting可调光照明应用专业技术，可帮助加速节能型LED灯泡灯管的推广。

AXElite策略营销部项目经理苏壬穗则表示，未来大功率LED驱动IC将朝着高集成度SoC、多芯片封装的方向发展，除稳定性与低功耗之外，还应拥有实现一致性亮度的恒定电流技术、集成亮度调整功能的脉冲宽度调制(PWM)技术，针对室内照明的耐高压特性等。此外，驱动器输出独立，可有效防止过热问题；数字软启动功能；逐周期电流限制；短路保护、过压保护及过热侦测也是其必备的基本功能。

LED驱动器的设计还需要设计工程师在众多技术参数中进行平衡，反复权衡性能并作出决策。为此，PI提供了一套丰富的参考设计库并通过在线电源设计工具支持全面的LED驱动器设计优化，帮助设计工程师加快其产品的上市速度。