市電LED照明自適應(yīng)恒流驅(qū)動器

求新求變促進自主研發(fā)

筆者于多年前進入大規(guī)模應(yīng)用LED 的產(chǎn)品領(lǐng)域，見證了LED 照明器件由質(zhì)次價高到逐漸提高品質(zhì)，從低發(fā)光強度產(chǎn)品向高亮度、超高亮度發(fā)展。隨著相對大的功率和高光效的器件出現(xiàn)，產(chǎn)品價位也有很大幅度的下降;以至于有可能從顯示及信號燈的應(yīng)用范圍向更廣闊的普通照明應(yīng)用市場拓展，也為從事LED 應(yīng)用的工作者提供了施展能力的基礎(chǔ)。

當年面對大規(guī)模應(yīng)用LED 的交通信號燈產(chǎn)品時，產(chǎn)生了一種思維觀念：認為雖然使用的LED 還有許多局限性乃至不足之處，但不能就此無所作為，而應(yīng)該各司其職。作為LED 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)不得不考慮的是，在現(xiàn)有器件的水平下如何充分利用好它的潛質(zhì)，也就是說需要深入了解LED 特性、用好LED 。

LED 從本質(zhì)上說是一種電流器件，是通過電流而產(chǎn)生光效;在電特性上又相當于一個穩(wěn)壓管，當流過的電流發(fā)生變化，引起兩端電壓的變化是很小的。但是如果外加的電壓比LED 的穩(wěn)壓值稍大些時，則流過的電流就要發(fā)生很大的變化，所以LED 必須由電流源供電，而且要求恒流。企圖穩(wěn)壓供電再用電阻限流方式，也并非上策;因為LED 在工作時發(fā)熱、老化等致使壓降變化，最后壓差變化了還是要造成工作電流變異。

在人們質(zhì)疑所用的LED 性能或失效率不如人意時，對LED 的先天不足應(yīng)持客觀的態(tài)度，因為任何事物的發(fā)展、進步都需要有個過程，更何況現(xiàn)在已顯露出LED 有著不凡的前景。可以先化點精力仔細檢查并測試一下器件的工作狀態(tài)及生產(chǎn)加工過程。

必須明白LED 是種嬌貴的器件，所以應(yīng)用上總是想從LED 中獲得盡可能多的光通量以降低成本。工作電流往往就接近上限值，但是因電源浪涌，感生電流等即使短期的意外過載都必然會對器件產(chǎn)生傷害。所以一定要保證必要的電流寬裕度或有嚴格可靠的保護措施。

而LED 內(nèi)部的銀膏導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和環(huán)氧封裝等，遇熱脹冷縮環(huán)境不可避免地有應(yīng)力損害，大電流及高溫下也要加劇光衰不能不防。

溫度和散熱條件有時更可能是致命的殺手，所以生產(chǎn)過程中焊接的溫度和時間都要控制不得超標，隨后的及時冷卻也致關(guān)重要。因為要便于從引線散熱，熱阻就做得小，熱量同樣容易從引腳傳入，當引腳處理得短時傳熱更甚;有時器件失效率的升高往往是焊接過程中疏忽所造成的。

雖有這么多難題要解決，但也不必因此消極氣餒，這可是LED 應(yīng)用工作者發(fā)揮作用的大好時期?？梢钥吹绞澜缟夏敲炊喙鹃_發(fā)出形形式式的LED 驅(qū)動芯片，既體現(xiàn)了業(yè)界精英們的智慧和積極性，也顯示出蓬勃發(fā)展的商機產(chǎn)生的促進力。本來照明產(chǎn)品就有非常大的比例直接在市電電網(wǎng)上使用，所以綠色節(jié)能的市電LED照明將會有巨大的市場需求潛力。

要推廣LED 在市電照明的應(yīng)用，必須要找出它的特殊性，才有可能達到事半功倍的效果。與以前成熟應(yīng)用的直流低壓條件不同，市電電壓相對比較高，除了人身安全外還有擊穿、打火的可能。因此驅(qū)動器就需有所不同;為了降低驅(qū)動的功耗提高照明效率，LED 組件應(yīng)該布置成適合在高電壓小電流下工作，就是要串聯(lián)使用LED 。這和大電網(wǎng)輸電線路要用超高電壓傳送降低損耗有異曲同工的道理。所以串聯(lián)使用許多個低功率LED ，比使用少量功率型LED更省電(功率型LED其內(nèi)部實際相當于許多低功率LED 芯片并聯(lián)而成)。而且從產(chǎn)品指標上也看得出，三個1W的LED 加起來要比一個3W的光效增加不少，當多個器件分散布置時更有利于散熱和降溫，同樣會提高光效，都支持這種最節(jié)電的設(shè)計理念。

自主創(chuàng)新源于技術(shù)的經(jīng)歷和累積

發(fā)展市電LED 照明產(chǎn)品，觀念上先要拓寬，僅模仿過去的產(chǎn)品改頭換面不會有出路，要替代白熾燈就想將LED 和驅(qū)動電路塞進燈泡里，要做成日光燈就忘不了那根細長的管子。[!--empirenews.page--]

太仿真了就成不了真，拘泥于舊形式就創(chuàng)不出新局面。要沿用白熾燈的羅口標準沒有錯，但不妨將燈罩也一起設(shè)計上去，使用 一點工程塑料就可將多個LED 和驅(qū)動電路分散布置得很好，就可創(chuàng)造出自然通風(fēng)散熱的環(huán)境。帶個塑料燈罩的LED 照明燈增加不了多少成本，卻能為LED 安全、穩(wěn)定使用和光照分布的滿意度起到?jīng)Q定性的作用。

至于日光燈主要是天花板頂部照明器具，何苦總要做成長條形，完全可順其自然做成所需要的『面積照明』 。那時散熱性、照度均勻性等問題都會迎刃而解。

而作為市電還有其交流方面的特殊性能，作者三十幾年前因為不滿足鎢絲二極管傳感器加電抗器控制的交流穩(wěn)壓器的性能，研究過一種應(yīng)用前饋技術(shù)的精密交流穩(wěn)壓器電路，雖沒有機會形成產(chǎn)品卻對市電有過一番琢磨。幾年前又發(fā)散了一下思維，研究出市電自適應(yīng)恒流驅(qū)動LED 的原理，創(chuàng)造了獨特的使用市電的LED 照明控制電路專有(專利)技術(shù)。詳情見專題論述。

這里簡言之，就是利用市電的特性，在直接驅(qū)動LED 照明器具時，使之能適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動而始終保持在設(shè)定的恒流狀態(tài)。

最近看到NXP 公司推出了據(jù)稱是世界首款集成可調(diào)光市電LED 驅(qū)動器SSL2101 。經(jīng)過比較之后，發(fā)覺所創(chuàng)造的市電自適應(yīng)控制電路，比SSL2101 要簡單得多。簡單到芯片內(nèi)總共只需集成十多個低功耗的通用二極管、雙極型晶體管。無需專門的Vcc 電源，不用變壓器、電感線圈等，直接使用220V市電并可立即驅(qū)動LED ，除了有手動調(diào)光功能外，還能極方便地自動調(diào)光。

已制成用121 個LED 的晚上可自動降低發(fā)光亮度的，符合歐洲節(jié)能標準的交通信號燈樣品，還做成可根據(jù)環(huán)境光亮度，在白天關(guān)閉、夜間自動點亮的用16個LED 組成的照明燈。在市電180V～250V工作范圍內(nèi)，做到約1 %的恒流穩(wěn)定度，二年后測試仍保持不變。說明在市電應(yīng)用中，市電自適應(yīng)LED 恒流驅(qū)動器，無論在LED 使用的個數(shù)上或者對自動調(diào)光的方式上都能游刃有余，在性能、成本上比SSL2101 有獨到的地方。

市電自適應(yīng)LED 恒流驅(qū)動器芯片引腳見圖1 ，典型應(yīng)用框圖如圖2、圖3 所示。

圖中的驅(qū)動芯片還沒有廠投產(chǎn)故未標型號，作者先用分立器件模塊代替。但是顯而易見，那些通用的小功率晶體二極管、三極管，在IC生產(chǎn)廠都可以很容易地集成出來。圖2中RV1 用來調(diào)節(jié)恒流值，即燈光亮度。RV2用來調(diào)整照明燈開啟和關(guān)閉時的環(huán)境光亮度的閾值。圖3 中的RV1 用來調(diào)整交通信號燈的工作電流值，圖中RB為感光后起自動調(diào)節(jié)作用的光敏電阻。外圍電路只用不到十個的低功耗電阻和四個低壓電容器。圖7 、圖8 、為已制作成的樣品外形圖。圖9為減少引腳后的IC封裝圖，這里僅以低壓制作工藝的一種芯片型式，就可封裝成12腳的有二種光控功能的IC，和封裝成二種 8腳的有某一種調(diào)光功能的IC。

市電LED自適應(yīng)驅(qū)動器理論上的控制功耗非常小(約5%及更少)，這種低成本的市電LED 自適應(yīng)恒流驅(qū)動器，在沒有了解其節(jié)電控制原理前，也許令人不可思議，但確實是真的。可以作直觀一點的介紹，在實例中的16個LED 組成的照明燈，為了加強自然對流降溫，在所有引腳都焊上約 1平方厘米的銅質(zhì)翼片散熱，當35度高溫天氣下工作一段時間后LED 燈上就感到很熱，而恒流驅(qū)動器的MOSFET控制管上不加散熱器也只感到溫?zé)?，在氣溫低的時候則感受不到熱量。[!--empirenews.page--]

LED 是一種工況要求嚴謹?shù)钠骷?，通常?jīng)不起反復(fù)負載沖擊折騰。現(xiàn)在生產(chǎn)LED 的廠家雖然很多，高亮度也做得到，但是能生產(chǎn)功率型LED 器件的就不多，因為對器件的耐受性要求很高，工藝和材質(zhì)要求更嚴，生產(chǎn)成本也高。所以即使具有高耐受性的優(yōu)質(zhì)低功率LED 也比通常的要貴不少。

但有的LED 照明器具，比如交通信號燈有時就必須工作在反復(fù)開、關(guān)的狀態(tài)，使用帶有變壓器等電感的驅(qū)動電路時，LED 就容易提前失效。作者做過批量試驗，曾將報廢的燈具中可利用的LED 器件制成信號燈樣本。篩選掉早期失效器件后，用原帶變壓器的驅(qū)動控制線路在0.5 秒開、0.5 秒關(guān)的狀態(tài)下連續(xù)工作，基本上每天(8 小時內(nèi))總還會發(fā)生LED 失效。而同樣品質(zhì)的利用器件，未經(jīng)過早期篩選就做信號燈樣本，用市電自適應(yīng)LED 驅(qū)動器供電，進行相同的反復(fù)開、關(guān)試驗，歷時數(shù)星期都沒有LED 失效。

由此想到，采用市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動器后，可以不一定非要用到優(yōu)質(zhì)的功率型LED ，即使是生產(chǎn)一般性能的高亮度、低功率 LED 廠家也可以在市電照明領(lǐng)域中占得份額，而且成本價格上具有優(yōu)勢，經(jīng)濟效益也好。SSL2101 驅(qū)動器被認為是高成本效益比的產(chǎn)品，市電LED 照明自適應(yīng)驅(qū)動器或許有機會被稱為具有超高成本效益比的產(chǎn)品。

開拓產(chǎn)品應(yīng)用類型效果可觀

市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動器可應(yīng)用的產(chǎn)品類型，除了已試制的交通信號燈和自動啟閉照明燈外，臺燈、射燈、日光燈、吸頂燈、樓道燈、庭園燈等等都屬于相似類型，拓展當不成問題。更吸引人的應(yīng)用是大尺寸液晶LED白光或RGB背光照明，還有LED在投影機中開拓應(yīng)用。電路精簡、高節(jié)能、低成本等優(yōu)點當能與顯示電路整合后，效果就更可觀。

下面就目前最希望能做到的，高效LED照明燈直接替代低效率白熾燈的具體各部分構(gòu)成作一些探討和設(shè)想：

白熾燈是一種成熟、穩(wěn)定、廉價的大眾化產(chǎn)品，就因為白熾燈既傳統(tǒng)又經(jīng)典，所以要成功替換并不容易。好在社會發(fā)展到對節(jié)能的嚴格要求，已進入倒計時階段;促進力足以扶助LED的成長不夠充分這個弱點。但取得成功的關(guān)鍵還在于LED器件的價格水平。能進一步提高亮度，改善顯色性能當然最好。

但用現(xiàn)有條件水平的LED要做成照明燈來替代白熾燈時，我們也可對各組成部分作一番盤算。

一、 LED驅(qū)動器部分

市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動器具有電路精簡、可靠，對LED的適應(yīng)性強，成本低、調(diào)光功能多等優(yōu)點，所以非常適合用于LED替代白熾燈時應(yīng)用。

二、LED發(fā)光單元部分

國產(chǎn)的低功率高亮度白光LED(20mA)單價已能降到0.1元的水平，步入規(guī)模應(yīng)用的價位。但是白光LED要提高『光/價』比，除了等待芯片的價格隨著生產(chǎn)發(fā)展而降低外，在LED照明單元的封裝型式上還期待通過突破性變革，來提高光效并降低成本。

設(shè)想的一種構(gòu)造是：芯片陣列式直接散熱布局的多透鏡一體化面積型照明封裝。

通過將許多LED芯片分散集成在一片較大的PCB上，并直接傳導(dǎo)散熱，會大大提高器件的熱性能。還避免了通?？赡墚a(chǎn)生的LED焊接損傷。多透鏡一次性封裝，能保證二次光學(xué)處理的精準效果，同時也降低成本。

三、光學(xué)處理和整體結(jié)構(gòu)部分

LED照明燈的光學(xué)指標除了光通量、顯色指數(shù)外，還有對眩光的要求。前者決定于LED本身的品質(zhì)特性，而眩光的感觀是因光源中光強分布不均，局部有特別強的光引起刺目所致。LED是點光源，所以由多顆LED組成的照明燈應(yīng)該有二次光學(xué)處理。作者多年前看到過歐洲制造的交通信號燈的一種結(jié)構(gòu)：由八顆功率LED分布組成的光源經(jīng)過二次光學(xué)處理的一張薄光片后，就使出光面的亮度做到非常均勻，絕無眩目的感覺。過去我們在完成光學(xué)設(shè)計后，有時還需要多次設(shè)計、開模具試光修正，很費時、費錢。而現(xiàn)在光學(xué)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)用ZEMAX、TRACEPRO等軟件，便于非成像光學(xué)類型的二次光學(xué)設(shè)計。所以二次光學(xué)處理應(yīng)該是LED照明燈的不可或缺的部分，即使要減少5%的光效，增加5%的成本，換來所需范圍的均勻照度和舒適不眩目的光感，也完全值得。[!--empirenews.page--]

通常的白光LED器件光的色溫多數(shù)偏高，故顯色性指數(shù)就低，既會使人不易看清物體的本色，又要影響眼睛的視覺舒適性。能做一下加法添些紅光最好，但需增加器件、費用也大。在替代白熾燈的LED照明燈中必要時也可做點減法，那些使人不舒服的光線成分實際成了光污染。用色片濾除不需要的色光成分，就可提高顯色性能。雖然在測試光通量時會顯得少一些，但去除這些有礙的光線成分后，不至于就降低實際視覺光效，對觀感效果反而有益處。

替代白熾燈的LED燈有時為了要做得像白熾燈，就將LED的光布置得向球面各方照射，真難說不是弄巧成拙。記得白熾燈應(yīng)用的前期，因為尚顯精貴，往往就配以各種燈罩，既避免直射的光線刺目，又能顯現(xiàn)燈具的多姿多態(tài)。從光學(xué)上看是使光線集中照射，效果更佳。但是當各類新穎照明燈紛現(xiàn)，白熾燈成為最普通、最低檔的照明時，隨便用個裸燈泡照明就習(xí)以為常。如要以此為準，顯然有悖常理。

LED照明燈如以燈罩為結(jié)構(gòu)主體，能使螺旋燈頭、驅(qū)動電路、LED照明單元、二次光學(xué)片、反光罩、通風(fēng)散熱通道等有機地共聚一體，實用、安全也經(jīng)濟。

實現(xiàn)社會價值需要政、商、科、技的融洽

有一種觀點認為，自主創(chuàng)新要能完美地實現(xiàn)，應(yīng)包含三個『自主』 。除了『自主』創(chuàng)新的科學(xué)思維外還應(yīng)有『自主』的知識產(chǎn)權(quán)和『自主』的開發(fā)平臺。

對照檢查一下市電LED 照明自適應(yīng)驅(qū)動器：

一、既不是用傳統(tǒng)的模擬技術(shù)控制方法，也不用PWM 方式、電荷泵型式，更不是開關(guān)電源的工作模式。而是應(yīng)用了與現(xiàn)有控制技術(shù)都截然不同的，完全『自主』創(chuàng)新的市電自適應(yīng)恒流技術(shù)。

二、獨立創(chuàng)造的市電自適應(yīng)LED 恒流控制技術(shù)，并非由其它專利技術(shù)的派生或發(fā)展而得，當然完全可擁有『自主』的知識產(chǎn)權(quán)。

三、所創(chuàng)新的IC電路采取業(yè)內(nèi)低壓通用制造工藝就可生產(chǎn)，很容易建立『自主』開發(fā)的平臺。

筆者認為除了三個『自主』之外，自主創(chuàng)新還需要有機遇。而只有科技發(fā)展和創(chuàng)新才是促進目前世界經(jīng)濟復(fù)蘇的主要動力，因此是個長期的機遇過程，明年的上海世博會以及業(yè)界的高層論壇、各類展覽、大賽也都有機遇的可能。最近國家發(fā)改委宣布計劃在三年內(nèi)逐步用高效照明器具完全淘汰白熾燈的決定，購買節(jié)能燈曾有過30～50%的財政補貼，是個實足的機遇，將成為市電LED照明燈發(fā)展的強勁動力。

成就科學(xué)技術(shù)的社會價值是科技工作者的目標，當然不僅僅是追求價值的本身，更重要的是要實現(xiàn)對社會的創(chuàng)造性貢獻。市電LED自適應(yīng)驅(qū)動照明器具產(chǎn)業(yè)，也需要政策的關(guān)注和工商業(yè)界的發(fā)展決斷及風(fēng)險投資的助推。社會發(fā)展需要和諧，產(chǎn)業(yè)的成長離不開各界的融合、融通及融洽。

附錄 SSL2101 參考資料

作者簡介

章耀坤 66屆電子儀表專業(yè)，從事過電子元件產(chǎn)品性能試驗，儀器儀表設(shè)計、制造、修理、計量等項工作，后任上海廣電凱歌洗衣機廠主工藝師，主設(shè)計師，上海廣電長岱飲用水有限公司主設(shè)計師、副總工程師，現(xiàn)上海澳星照明電器有限公司退休工程師。

有一項非職務(wù)專利于首屆全國星火杯發(fā)明競賽中獲獎;在上海市的一次專利技術(shù)應(yīng)用成果統(tǒng)計時，作者所創(chuàng)造的一項職務(wù)專利實施一年半內(nèi)就支持了企業(yè)獨占市場的產(chǎn)品產(chǎn)值逾1400萬元。