LED照明系统可靠性设计

董玉亮

摘要：当今社会，绿色、环保的概念被广泛接受，在照明领域，LED充当了这样的角色。LED灯珠具有高光效、长寿命的特点，固态封装使其不会产生汞等重金属污染。从技术发展的角度讲，LED照明终将替代传统照明，成为各行业广泛使用的照明方式。想充分发挥LED灯珠的长寿命的优点，需要设计可靠的LED照明系统。LED系统可靠性由灯珠、驱动、铝基板三部分共同决定。研发工作者对灯珠和电源的认知很深刻，但往往忽略对铝基板设计的重要性。该文介绍灯珠、驱动特性的同时，重点分析几种铝基板设计方式的差异，并提出一个良好的电流控制电路来做反馈，使系统性能更加可靠。

关键词：LED系统；灯珠；驱动；铝基板设计；电流控制电路

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）24-0147-04

Reliability Design of LED Lighting System

DONG Yu-liang

（Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Abstract： In today's society， green， environmentally friendly concept has been widely accepted. in the lighting field， LED act as such a role. LED lamp beads with high luminous efficiency， long life， solid package that it does not produce mercury and other heavy metals. Speaking from the perspective of technology development， LED lighting will eventually replace traditional lighting， lighting the way to become widely used in various industries.If want to give full play to long-life LED lamp beads，you need to design the reliable LED lighting system. LED systems reliability is determined by three parts： lamp beads， drive， aluminum plate. Research and development worker awareness lamp beads and power is very profound， but often overlook the importance of the aluminum plate design. This article describes the lamp beads， driving characteristics， while focusing on the analysis of several differences in the way the aluminum plate design， and made a good current feedback control circuit to do to make the system more reliable.

Key words： LED system； lights beads； drive； aluminum plate design； the current control circuit

1 概述

LED照明优势的发挥，需要充分挖掘其高光效、长寿命的特点。从灯珠角度讲，好的芯片、封装工艺、材料是关键。从系统角度讲，好的驱动模块、散热设计是关键。无论是灯珠、电源的选型，还是结构件的散热设计都为广大LED厂商所熟知，在设计产品的时候也充分考虑了这些因素所造成的影响。而作为LED承载者的铝基板的电路设计，却往往被忽视，本文在介绍LED系统设计的关键点的同时，重点分析LED不同的串并方式所引起的稳定性差异，进而提出带电流控制电路的方式，增加系统设计的可靠性。

2 LED系统设计的关键点

2.1 灯珠方面

从系统的可靠性上讲，选用国际知名厂家的LED灯珠肯定是有更好的性能表现。但考虑到产品的市场定位和成本控制，则需要在保证性能的同时选用价格低廉的灯珠。灯珠选型一般需注意6个参数：热阻，光束角，最大驱动电流，电气特性，电流-光通量相对曲线，电流/温度-相对色度曲线。

如下表1为常见灯珠厂家的热阻情况，热阻是决定整灯热设计的重要因素。从原理上来说，芯片不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED器件的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，导致芯片温度或结温的升高。

光束角是整灯配光的决定性因素，无论使用透镜，还是反光器材，都需要针对单灯的光束角进行设计。一般来说，常见2835灯珠光束角为120°左右，随着灯珠光源面变大，为方面二次配光，灯珠光束角会有所下降，如3535灯珠光束角常为115°。

最大驱动电流是灯珠损坏的阀值，设计系统时，充分考虑电源的浪涌和外界的冲击，做防护设计和余量设计，避免灯珠因大电流冲击而产生开路失效的情况。

电气特性反映了电流值所对应的灯珠实际电压，对于系统功率和电源选型有重要作用。电流-光通量相对曲线反映了电流值对应的光通量比例，随着电流的增大，光通量输出增大，但是增加的幅值在减小，因此驱动在大电流时，光效会有所下降。即使考虑进电压温度系数的负特性，也无法改变整体的下降趋势。

电流/温度-相对色度曲线反映电流、温度对灯珠色度的影响，当驱动电流过大或温度过高时，均对灯珠的色坐标产生影响，从而影响灯珠的色容差值。目前市场上能接收的产品色容差至少应低于7，随着封装工艺的改进，这个值还在进一步降低中，CREE已经开发出了MacAdam Ellipse在2级以内的产品。

另外应特别注意灯珠在硫化环境中应用时的选型，目前中小功率灯珠一般采用EMC或塑料支架，这类支架的老化性能和密封性不佳。长期在硫化物含量高的场合下，会使封装底部的镀银层硫化变黑，导致灯珠光效严重下降乃至失效。陶瓷支架的灯珠会有更好的防硫化效果，如户外照明用的3535灯珠。

总之，灯珠的选型应根据使用环境、光参数要求、散热需求、系统成本等方面综合考虑。

2.2 电源、散热方面

LED的电气部分性能主要是通过电源来实现，因此电源的设计或选型将具有重要的作用和意义。

从电源效率方面讲，LED驱动主要分为线性调节器和开关调节器。简单来说，线性驱动LED的原理是在LED灯珠负载里串接MOSFET，让MOSFET闭环受控于LED负载电流，工作在线性区，使线路产生“恒流—变压”效果，这样在LED负载通过的就是恒定电流，而串接的MOSFET承受了变化的电压。开关电源驱动是通过高频开关，磁性元器件，将交流市电转换为LED需求的电压、电流。开关电源驱动又分为隔离和非隔离两种。

线性高压方案的特点是线路简单，电路工作在工频线性模式，省去了高频电感，同时没有EMI问题。线性高压方案经历了阻容降压，单段线性到现在的分段开关线性方案，在效率、PF、Vin范围等方面性能有了明显提升。但线性方案的原理决定了其工频频闪明显、灯珠使用率低、抗电压波动能力差的缺点。不能使用在环境苛刻，寿命要求高的场合。

开关电源方案效率高，一般LED系统用的恒流源驱动效率在90%-93%之间。值得说明的是，并不是所有的LED驱动都是恒流源。照明用LED设备应用驱动的常为恒流源，亮化类产品、情景光源等对LED灯珠光通量以及寿命要求低的场合，应用的驱动多为恒压源。

LED系统可靠性设计中很重要的一环是良好的散热设计，无论是灯珠还是电源，它们的寿命都和散热有关。灯珠的L70/B10一般是根据LM80中的热学评估来做的推测，如某灯珠的LM80中描述，灯珠驱动电流700mA结温85℃时，寿命大于54000h。电源的寿命主要由电感、IC的极限温度，以及电解电容的优劣及其介质损耗决定。

合理设计电源、光源的散热系统，是保证LED系统可靠性的前提。

2.3 铝基板设计方式对比及稳定设计

LED系统的可靠性除上文提到的灯珠、驱动以及散热系统需合理设计外，更与LED灯珠的连接结构有关，因为灯珠的使用电流远远超过其额定值时，寿命将受到严重影响。而且如果灯珠电流差异性较大，将使系统的亮度不均匀，照明效果变差。

LED灯珠的不合理应用体现在两点：亮度下降和灯珠损坏。亮度下降主要由驱动电流不足造成，灯珠损坏一般在极端情况下才会发生。当前的大功率灯珠内部集成齐纳二极管，并加强了对金线的保护，使得常出现的损坏模式是短路。但如果电流过大，齐纳二极管损坏，还是会造成断路。

LED灯珠的电压Bin是一个0.1或0.2V的范围，在额定电流下同一批灯珠的电压值在这一范围内。如型号为OSLON Square CSSRM1.PC 档位为L2的灯珠，意味着在额定电流700mA，灯珠结温85℃时，这些灯珠的电压为2.7-2.8V。同一批包装的灯珠中，最小电压为2.7V，最大电压为2.8V，中间电压为2.75V。datasheet中显示的伏安特性曲线如下图，可近似的将曲线斜率看为4A/V。

图1 OSLON Square CSSRM1.PC的伏安特性曲线

下面采用CSSRM1.PC灯珠，针对常见的铝基板设计方式：先串后并、串并混连、单串进行逐一分析。

1） 先串后并形式

先串后并的连接形式图2（a）所示。LED串电压为典型值2.75V时，此LED串的电流为700mA。电压为低电压2.7V时，LED串的电流为500mA。电压为高电压2.8V时，LED串的电流为900mA。最坏情况下，LED串的电流相差700mA±～28.6%。

灯珠的正向电压具有负温度系数Tk=-1.83mV/K，因此当温度升高时，正向电压会下降。电流高的LED串的电压下降比电流低的LED串多，这将加剧电流的不均匀性。但是温度对电流的影响，远远小于LED的Vf值差异对LED电流的影响，因此在分析中不再考虑温度的微弱作用。

当系统中一颗灯珠短路时，由二极管的伏安特性可知，这一串灯珠的电流将急剧增大，远超过LED灯珠的安全使用电流，因此这串LED灯珠迅速失效，系统可靠性严重受影响。

当系统中一颗灯珠断路时，灯珠的电流变化情况如图2（b）。出现断路灯珠的这串所有灯珠电流均变为0。电路总电流不变，其他串上的电流都将增大。电压为Vfmin的一串电流将变为1133.3mA，电压为Vfmid的一串电流将变为933.3mA，电压为Vfmax的一串电流将变为733.3mA。这3串电流都增大，灯珠的亮度、发热量也将增加，从LM80来看，如果系统的散热良好，则其可靠性所受影响并不严重。

2） 串并混连形式

串并混连的连接形式如图2（c）所示。LED串电压为典型值2.75V时，LED串的电流为700mA。电压为低电压2.7V时，LED串的电流为900mA。电压为高电压2.8V时，LED串的电流为500mA。最坏情况下，LED串的电流相差700mA±～28.6%，此时混联方式与先串后并方式的电流差异相同。

当系统中一颗灯珠短路时，灯珠的电流变化情况如图2（d）。和它并联的3颗灯珠电流变为0mA，其余灯珠的电流不变。这会造成3颗灯珠的失效，其余灯珠的寿命不受影响，系统的照明效果有所下降。

当系统中一颗灯珠断路时，灯珠的电流变化情况如图2（e）。和断路灯珠并联的3颗灯珠电流将变大，电压为Vfmin的一串灯珠电流将变为1133.3mA，电压为Vfmid的一串灯珠电流将变为933.3mA，电压为Vfmax的一串电流将变为733.3mA，其余灯珠的电流不变，理论上系统只会出现一颗灯珠的失效。同上文一样，若散热设计合理，系统可靠性受影响较小。

通过简单的对比来看，在最坏情况下，混联的方式比先串后并的方式更加可靠。但值得说明的是，实际贴片时，最坏情况很少出现，各电压Bin的灯珠会无次序的贴片。先串后并的方式反而会降低每一串灯珠的电压bin差异性，进而会使各LED电流差值变小，灯珠的亮度差异性和可靠性得到较好保证。

3） 采用单串形式

单串形式的连接方式，恒流源700mA驱动时，所有灯珠驱动电流均为700mA，电压因电压Bin而略有差异。因为灯珠的光通量主要由驱动电流Vf和温度Tj有关系，尤其是Vf的作用至关重要，因此灯珠的亮度基本一致。

当某颗LED出现短路时，电路中其他灯珠均能正常工作。整个电路的电压通过电源自适应到最佳状态，保证了系统的寿命和可靠性。

当某颗LED出现断路时，整个电路电流将变为0，系统失效。

前文已经提到，目前大功率LED产品内部增加了齐纳管，只要控制好电流不使出现过大的问题，则单串模式是最佳的电路连接形式。

4） 限流电路的反馈

一种良好的电流控制电路图3所示：

VCC电压从某颗LED灯珠的正极取电，GND从某颗灯珠的负极取电，这两颗灯珠之间的压差应足以供U1，U2正常运行。U2为基准电压源TM431，通过将其基准的2.5V电压分压后为U1A的同向输入端提供参考电压0.23V。VDD端输入的电流在取样电阻R8、R9、R10上得到同样的电压值至U1A反向输入端，在U1A的作用下，这两个电压值相等。取样电阻阻值应足够小，以免造成不必要的系统功耗。Q1为功率MOS，保证大电流通过时能正常运行，取样电阻网络为0.33Ω，因此LED电路中保持在697mA。

需要特别主要的是运放负反馈电阻并联的C3和R5，C3的作用是减小高频增益。本电路从LED电路中直接取电，考虑到开关电源的高频特性，采用了此方式控制高频干扰。输出端的高频信号有一部分会通过C3返回到输入端，返回回来的信号跟输入的信号相位不同，相当一部分高频信号会被抵消掉。

3 性能测试

测试系统采用明纬HLG-40H-48做驱动，电流可通过内部电位器调节，最大可调至840mA。灯珠采用OSLON Square CSSRM1.PC，贴在多个模组上串联使用。

带电流控制电路的系统layout图如图4所示。

系统连接好后，通过调节驱动上电位器的值来改变输出电流值，测试模组上的电流变化情况。经测试，输入电流700mA以下时，模组上电流和输入电流一致。输入电流700mA以上时，测试一个带限流电流模组，模组上电流控制在703mA。考虑到元器件一致性问题，对多个模组进行反复测试，测得最大电流为710mA，电流控制误差为1.5%。

4 结束语

本文所述的铝基板连接和电流控制方式，使LED照明系统得到稳定的工作电流，提高了过流抑制能力。这种电流反馈控制方式在笔者设计的LED照明系统中得到了应用，对于提高系统稳定性有很好的效果。

参考文献：

[1] Ron Lenk， Carol lenk.LED设计权威指南[M].王晓刚， 刘华， 王佳庆， 译.北京：人民邮电出版社，2012.

[2] Paul Horowitz.电子学[M].吴利民，译.2版.北京：电子工业出版社，2009.