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LED照明市场要起飞,可靠的驱动电源是关键

作者:时间:2016-12-05来源:网络

除了成本还较高以外,今天LED照明仍无法进入大规模商业性应用的另一主要障碍是,电源寿命不匹配及可靠性不足。简而言之,LED照明(特别是LED路灯)大规模应用的真正瓶颈就在于驱动电源。

Power Integrations公司(简称PI)LED产品市场经理Andrew Smith表示:“正如早期的紧凑型荧光灯(CFL)技术因初始质量低下而遭遇需求下降一样,LED路灯照明的可靠性也受到了质疑。大量的过早故障迫使各地方当局和其他客户重新考虑LED的技术方法。待质量问题解决后,LED室外照明的主要优势将会再次推动市场发展。”

尤其是LED路灯,因为主要用于室外环境,要长年经受恶劣环境;在中国南方,外界气温部分时间可能高达40℃~50℃;而在寒冷的北方,外界气温部分时间则可能低到-20℃~-30℃。因此LED路灯电源的设计和制造技术就更加要注意质量问题。

“大部分路灯故障都可归因于电源故障,路灯面临着特殊的设计挑战,大部分挑战在传统电源应用中是不存在的。极高环境温度的严酷条件(导致电路板温度超过100℃),加上电源与负载(LED)的紧密相邻,使得标准的适配器技术根本无法凑效。此外,电信转换器所采用的用来对付高环境温度的高效率方法,在路灯应用中仅部分有效。”Andrew Smith表示:“长寿命、高环境温度电源需要采用特殊的设计技术和拓扑结构,才能使电源在严酷环境下正常工作。路灯制造商经常无法准确确定电源的适用性,错误的技术选择最后会导致系统过早故障。”

他指出,目前许多用于室外照明的电源都依赖大型铝电解电容,然而对于要在严酷环境中工作的电源的功率转换电路来说,此类电容的效果并不好。PI极具成本效益的技术无需电解电容或其他短寿命元件(如光耦),从而大幅提升外部照明方案的可靠性。

LED路灯驱动电源设计门坎高
TI半导体事业部业务拓展经理刘学超针对LED路灯的驱动电源需求指出,LED路灯是由光学、热学和电子学组成的复杂系统,虽然LED本身的寿命较长,但如果电路设计不当,如选用了低质量的有源或无源器件,使整体驱动电路寿命无法与LED匹配,就会影响LED路灯质量及寿命。再者,LED的温度管理及散热也非常重要,一旦工作温度高于100℃,LED本身的可靠性就会受到影响。当然,LED早期失效、组装局部缺陷及瞬态现象等因素,也导致LED偶尔可能会失效,如果没有采取恰当的分流保护措施,单颗LED的失效会导致整串LED不亮,影响整体路灯照明效果。

此外,在整体LED照明市场中,LED路灯是功率最高的应用,因此需要多个功率级和复杂的拓朴,以满足功率因子校正(PFC)、总体谐波失真(THD)、85 PLUS的效率等标准和法规,以及多串LED电流恒定的要求。

美国能源局(DOE)于2009年12月3日针对一体化LED灯项目所发布的‘能源之星’规格最终版,也规定动器的功率因子必须优于0.7,而工业应用则要优于0.9。此外,在目前LED产品无全面标准情况下,LED必须满足电气强制标准,特别是EMC的GB17743对应IEC6100,电流谐波THD的GB17625.1-2003对应IEC61000-3-2:2001,这要求电源要有良好的EMC、PFC/THD。

刘学超认为,要解决LED路灯的电路可靠性问题,必须从驱动拓扑结构进行改进,提高效率,减少元器件数量,另外也可进一步减少成本。

Andrew Smith则建议对LED路灯驱动电源采用金/银/铜分级体系。例如,金级电源在严酷环境下具有长使用寿命,能提供高效率(>90%),且具有高功率因数。为满足金级标准的评级要求,电源厂商必须遵循良好的工程经验(例如,消除功率转换电路中的电解电容)。银级和铜级分别适用于工业应用和消费类应用,它们符合这些细分市场的特有属性。

他指出:“对LED电源采用金/银/铜分级标准后,生产路灯的系统整合商就可以轻松、安全地选择正确的技术,无需使自己成为电源专家。作为一家IC供应商,PI支持采取一项通用的LED评级标准。我们正在与各LED制造商和政府机构进行接触,以期在此项倡议的需要和内容方面达成共识。”

深圳茂硕董事长顾永德则表示,由于LED照明目前还未大规模普及应用,对动电源的需求量相对较小,并且尚无统一的国家标准,因此许多电源厂商的设计质量不佳,导致电源产品寿命较短,即使在应用条件良好的环境中,一般电源厂家的电源寿命亦达不到1万小时;如果在夏天40度环境温度下,有许多厂家的电源寿命超不过4千小时。

寿命及温度范围为关键所在
顾永德指出,茂硕在设计时便将电源开机温度规范在-40℃到70℃,独有的PFC电路及内部屏蔽结构则能充分解决并保证在任何恶劣环境下,电源都能正常开机。再者,通过长时间对灌胶技术的研究,进而调配出密封性最好、散热性最佳的灌封胶配比,使产品得以获得完整严密的防水保护。茂硕的LED的驱动电源寿命长达5万小时。

针对现阶段的产业情况,顾永德指出许多灯具厂家多是在完成LED基板及结构设计后,才去考虑电源的问题,忽略了电源冲击对LED芯片的影响,为灯具的光衰减留下隐忧。而对于许多中小电源厂商而言,它们不可能有实力为每批数量不大的灯具专门开发不同的电源,这就造成了灯具厂商找不到技术指标和尺寸大小均合适的电源的普遍现象。

智能型驱动为发展趋势
顾永德并特别说明智能型驱动电源的重要性,他指出目前市场应用于LED驱动电源管理、LED灯具的智慧节能监控的解决方案可说极少,但是茂硕针对节能、环保、多功能、高可靠和智能化管理等目标设计出照明时间智能控制、DALI智能无极调光、PLC智慧远程无极调光、PS485或DMX512智能远程无极调光、红外感应智能调光、0-10V模拟调光、室内可控硅调光等七大智能调光技术,可根据环境、时间等的变化,由工作人员在控制室通过相关网络远程控制LED路灯开关、调光,还可反馈电压或电流、状态查询、故障报警等,既可以省去铺设专有线路的麻烦,还可以解决远距离传输的问题,非常适合用于LED路灯的远程控制与管理。

另一值得注意的中国LED驱动电源业者则是广州金升阳科技有限公司。该公司已针对LED路灯应用推出KC24W系列,此为引线式恒流大功率防水LED驱动电源产品,该系列的产品应用降压式电路结构,具有效率高、宽输入电压范围、高温度工作环境、功能齐全等特点,提供PWM 调光、模拟调光等远程关断功能。

替代灯管电源朝隔离式发展
针对替代灯管所需的驱动电源,基本上脱机型为发展主要趋势,这主要是由于市场对安规日趋重视,因此隔离驱动的需求日渐增加。脱机型LED电源市场主要分为高功率和低功率两个部分,大概以50W为分界线。其中,基于集成型LED的替代灯管大多采用简单、非绝缘型降压稳压器LED驱动电路,产品着重于采用最少的元器件数量和最低的成本,但又必须同时提供足够的流明/瓦数,以及高于0.7的功率因子,并具有标准的双向可控硅调光器调光的能力。

再者,高功率LED驱动器通常需要绝缘隔离,以达到UL标准,这往往需要其功率因子大于0.9,并具备调光能力,而这种调光能力可能是通过基础调光器之外的其他方法实现的。另外还需要产生至少与荧光灯相等的流明/瓦,并具有更长的使用寿命。

LED驱动电源需求增加快速
LED驱动电源器是LED产业链发展的保障,也就是说LED电源的质量直接决定了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源的成熟也至关重要。一盏LED路灯配置一台LED驱动电源,根据预测,2013年中国LED驱动电源数量预计达到700万台以上,市场规模扩大至17.5亿。

然而,LED驱动电源不是传统电源,技术含量非常高。由于供应受制于技术水准,跟不上需求的进展,产业整体上处于供不应求的状况。目前LED驱动电源已成为「十城万盏」工程推广的瓶颈,也是制约LED照明产业发展的关键因素之一。

对LED灯具业者而言,LED驱动电源的成本及使用寿命至关重要,其中的关键为采用高质量的元器件并控制生产质量,在保证高性能和可靠性的前提下必须尽可能地降低成本。据了解,近来有大量小型公司纷纷进军LED驱动电源市场,市场价格因竞争而不断下滑。如何在保证可靠性和质量的同时,提供最低成本的LED照明解决方案,成为业者需要面对的新挑战。



关键词: LED驱

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