LED照明与线性恒流驱动连载.docx
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LED照明与线性恒流驱动连载
概述：
LED照明产品已经大举进入千家万户，走进了全民大规模应用阶段，并将全面取代传统的照明灯具，但，到目前为止，LED的应用或生产过程中，还存在着诸多误区，大部分的使用者只知道一个概念，就是LED能够节能省电、寿命长。
但由于中国市场的特殊性，导致了很多现实和理想出现了差异。
而事实上，不当的设计或应用都使LED效率下降，甚至影响使用寿命。
从表面上看，LED是具有节能环保，长寿等特点，但目前，由于回大多数使用者乃至商家，对于LED的了解仍然存在着一定的误区，导致目前市场上的相关产品良莠不齐，质量低劣的产品充斥市场，质量相对较好的产品，由于造价较高，除了一些知名品牌或大企业，一般的小厂家，要想做到质量保证，又能够立足市场，实在是困难重重。
很难与那些质量低劣的产品竞争，只能在质量和价位之间权衡。
由于劣质产品充斥市场，导致目前很多LED产品出现“短命”的现象，而且，很多廉价产品，跟本上就不节能，有些产品，其耗电量比传统的节能灯还大，更有些产品的寿命，比普通节能灯还要短。
本文以连载的形式，针对当前LED 误区的剖析以及LED 照明的特性、应用设计方案、应用实例等，不定期发表个人的部分经验总结，旨在为普及LED照明应用的基础知识提供一丁点微薄之力。
第一节 LED 照明灯具的简单介绍
照明灯具的种类：
照明灯具大致可以分为几大类：
1. 家用照明
家用照明指的是一般家庭应用的照明产品，有灯泡、日光灯、吸顶灯、卧室灯、客厅灯、工艺灯、天花灯、筒灯、庭院灯、射灯等等。
对于LED产品来说，家用照明产品的要求条件是比较宽松的，因为，家用照明产品一般情况下是不会连续长时间使用的，一般情况下，家用照明产品（单个灯具）的使用时长大约为2000小时/年，有些甚至更少。
相对商业照明，家用照明灯具一年的使用时间大约等于商业照明的30%左右。
2. 商用照明
商业照明指的是安装在公司、商场、店铺、等营业性场所的照明灯具，其特点是每天的连续工作时间比较长，一般都在10个小时以上，对灯具的要求条件比家用照明要高的多，除了产品的可靠性，色温一致性外，由于商业照明往往是大量集中使用，对电磁辐射也有比较严格的要求。
3. 工业照明
工业照明指的是用于工厂的照明灯具，一般生产车间的照明时间是比较长的，有些工厂是24小时三班制，所以，对灯具的要求是全天候运行的，其性能指标比一般商业照明还要严格。
4. 道路照明
道路照明也包含了户外照明，一般是用于路灯或户外空旷地方（比如广场、露天体育场等等）的照明系统，，一般单个灯具的功率比较大，而且，灯具的装配位置相对比较高，而户外的使用环境也比较复杂，要承受阳光的高温照射，还要严格的防水条件，所以，道路或户外照明的要求是最高的。
5. 亮化照明
亮化照明也是户外照明的一种，在城市的一些建筑物的外墙，往往都装配有一些作为点缀用的亮化照明产品，这些产品同样需要严格的防水性能和使用上的可靠性，由于不是用于主照明，一般对亮度要求不是很高。
由于亮化产品大部分属于市政工程，项目的使用面积和功率一般都比较大，所以，有两个不容忽视的问题需要引起注意，但实际上，这些问题却往往被人们忽视了，那就是：
1. 功率因数；
在市电照明中，功率因数是一项关乎能效的重要参数，它直接影响到电力供应的效率，功率因数越高，其能效也越高，反之则越低。
而在平常的亮化工程中，人们注意到的只是防水和质量问题，功率因数问题却往往被忽略，以前有人曾经披露过，某地的一项亮化工程，由于采用的LED灯具，其功率因数太低，从而导致该范围的电力供应线路瘫痪。
有关功率因数的其他相关问题与解决办法，将在往后的章节中阐述。
1. 电磁辐射（EMI）
电磁辐射也是市电照明产品的一项重要指标，在LED照明产品中，产生电磁辐射的来源主要是通过高频变换的驱动器。
电磁辐射也是很容易被人忽略的一个问题，电磁辐射的强度和电源功率、方案设计、等有直接关系，通常，单个LED灯具的驱动电源，所产生的EMI是很微弱的，但是，如果大面积集中使用的话，EMI问题就值得注意了。
在日常生活中，常常听到人们在讨论手机的辐射问题，并为这种问题“谈辐色变”，但是，就是从来也没有听说有人关注自己长时间置身于那些带有高频辐射的驱动器的环境中。
当然，这里指的是大量集中安装，且EMI指数不达标的场所，对于一般的家庭或办公室，辐射是微乎其微的。
第二节
1. LED 光源
LED是半导体发光器件，在照明灯具里面俗称为光源，一般LED 芯片的特性电压（VF）为3.0-3.5v ，由于单个LED灯珠的功率比较小，在LED 照明灯具中，需要多个LED灯珠通过串联或并联的方式进行组合，以达到所需的功率。
LED的另外一项重要参数是正向电流（IF），LED 是电流型发光器件，工作时需要给LED芯片通过适当的正向电流，IF就是芯片的额定正向电流，为了保证LED工作的稳定性，必须采用恒流驱动器，使LED在恒定的电流环境中工作。
而且，工作电流最好设定在IF标称值的80%以下，因为，LED灯珠的规格书上标称的正向电流IF 是其最大值，LED 在实际应用中，考虑到各种外部因素（如散热条件、驱动器输出电流误差等），LED的工作电流设定在耳钉电流的70-80%为宜。
2.LED驱动器
要使LED灯能够正常工作，就必须给LED灯配套合适的驱动器，用于市电驱动器主要有以下几类：
开关型（PWM）隔离恒流驱动器
开关型（PWM）非隔离恒流驱动器
线性恒流非隔离驱动器
阻容降压驱动器
恒压电源+电阻限流驱动
通过高频频率变换的（非PWM）驱动
在绝大部分情况下。
LED驱动器必须具有恒定输出电流的功能，才能保证LED的稳定工作和发挥最大的效率。
误区剖析1.
（本节内容较长,将分为多段、多次发送）
时至今日，LED的应用已经如火如荼，但是，在LED照明灯具领域，不管是商家、用户、乃至灯具的生产厂家，都存在不同程度的误区。
以导致很多产品无法达到理想的寿命和节能效果。
本节将针对目前市场上普遍存在的误区，逐一\进行剖析。
1．关于节能与寿命
普遍认为，LED的特性就是节能、长寿命。
但是，要达到真正的节能和长寿命，需要你正确的理解它、运用它，包括电路方案设计，和散热条件的配置，都是一个不容忽视的问题。
LED是英文lightemittingdiode的缩写，发光二极管的意思。
它是一个半导体器件，从理论上讲，LED的寿命是10万小时，也就是说，即使每天24小时连续使用，它的寿命也会超过10年。
实际上LED是使用寿命有多长？
那要看你是怎么运用它，你给它什么样的工作环境，它就给你多长的服务时间。
30年前，LED普遍用于仪器、设备的指示灯，或收录机的电平指示灯，由于技术条件的限制，除了颜色单调以外（当时只有红、绿、黄几种颜色），LED灯的功率也只有0.03w左右（VF1.8v，IF20MA）,所以，只能用于仪器设备的指示灯或电平指示，由于功率很小，而且，在设备里面只有零星使用（没有大量的集中使用）,所以，器件所产生的热量很小，在当时，LED被定义为冷光源，没有发热的概念。
耗电方面，因为只做为指示灯使用，不需要很高的亮度，虽然当时的led光效很低，但也基本满足指示灯的用途，其耗电却大大小于传统的乌丝型指示灯。
其使用寿命也基本达到或接近理论水平。
故，LED低能耗、长寿命的观念，也在这里开始。
20年前，随着技术的进步，LED已经在性能和亮度方面，有了很大的提升，随着蓝光、白光、粉红等产品的相继出现，应用领域也逐渐扩大，LED图文显示屏开始普及并大量应用。
而且，LED显示屏的应用方面，可以说是一帆风顺，从一开始的单色文字显示屏，到视频同步的彩色显示屏，技术一直在突飞猛进，其中，LED始终充当了一个完美的角色。
其寿命也基本超过5年。
印证了当初的长寿之说…...
在景观亮化工程方面，也逐步采用LED灯饰顶替传统的霓虹灯。
但是，这个时候，问题也就逐渐浮现了----在实际使用中，人们渐渐发现，LED灯具的使用寿命，并不是那么理想，一般情况，一年半载的就坏掉了，而且，光衰也特别明显，由于当时的相关产品造价还是比较高，没有大规模进入市场化，用量相对比较少，这些问题也没有引起太多的重视。
1 0年前，LED在技术上比以前又有新的突破，亮度及光效大幅度提高，电气性能也大大提升，单颗1w以上的LED灯珠的大功率灯珠，也开始面对市场，随着价格的下降，应用技术的成熟，各种各样的景观照明产品也相继出现，景观工程开始大规模使用LED灯饰产品，但是，产品的使用寿命、光衰问题、故障率高，一系列的问题还是没有得到彻底解决。
这时，人们才逐渐发现，原来，LED还存在着发热和光衰等问题。
5年前，LED逐步进入照明领域，通过几年的发展，LED的芯片技术、封装技术、应用技术、相关配套材料的加工、生产等技术水平的大幅度上升，而成本也大幅度下降。
时至今日，LED照明产品已经大举进入照明行业，全面取代传统的照明灯具。
整个市场可谓轰轰烈烈。
LED已经进入了全民应用的新阶段。
已经形成了一条具有中国特色的产业链。
然而，产品的可靠性、耐用性、节能效率、电磁辐射等等，一系列问题却一直不尽人意。
就目前市场销售的LED照明产品来看，大部分家用照明产品的质量问题还是令人担忧的，普遍问题是使用寿命短、故障率高、光衰快等等。
有些使用不到几个月就坏掉了，有些则则在较短的时间内出现了严重的光衰。
这问题到底在哪呢？
为什么用于仪器设备上的指示灯，还有LED电子显示屏，它就那么稳定、可靠，耐用。
LED经过了几十年的技术更新，难道现在生产出来的产品，还不如几十年前？
答案：
不是！
那么，是不是应用技术上的问题？
答案：
也不是！
到底是什么原因导致的呢？
追根究底，还是金钱惹的祸！
由于人们在市场、价格、消费观念、消费心理、应用技术等环节上，都存在着不同程度的误区，从而直接影响了产品的质量。
首先，终端消费者（也就是LED灯具的最终用户）对LED的概念比较模糊，对产品的质量方面无法直观判别，而且，市场上低价的产品又具有较大的诱惑力，所以，在选购的时候，大部分偏重于廉价产品；其二，在销售商这个环节里，存在着一条隐形的利益链，好的产品成本高，利润小，质量低劣的产品进货成本低，利润大，在利益的驱使下，有些经销商更加愿意推广价格低廉的产品，而大部分消费者对其中奥秘却一无所知。
在生产环节，生产商也面临着诸多无奈，市场价格竞争激烈，想要顾及质量，则成本上升，价格稍微高点，就没有竞争优势，想要具有价格优势，则质量指标就下来了。
目前大部分厂家，完全靠拼价格来争取市场，所以，就造成了市场混乱，质量低劣的产品充斥市场，好的产品因为成本高，价格受到廉价产品的冲击，造成销售困难，从而迫使大部分生产商千方百计的压缩成本，当然，压缩成本的前提就是以降低质量标准为代价，这就是造成当前的LED照明产品质量低劣、寿命不长的原因之一。
其实，按照目前的技术水平，要做到使用寿命在5年以上的家用照明产品，不是不可能，而是很简单！
因为，关键问题不在技术，而是原材料的选用，只要按照规范设计和实施，不偷工减料，家用LED照明灯具的使用寿命完全有可能超过5年，甚至10年。
规范设计，成本当然会有所增加，从产品的使用寿命来讲，相比目前市场上的廉价产品来，增加点成本还是值得的。
按照目前的成本比值，打个比方，如果设计一个使用寿命为一年的LED灯泡，成本需要5元，假如，把使用寿命提高到2年，就需要7元，如果，把使用寿命要求提高到5年，则成本会增加到10元。
虽然价格增加了一倍，但其使用寿命却增加了5倍，你说，哪个合算？
而且，低价的产品往往伴随着能耗偏大，功率因数偏低，电磁辐射大等副作用。
另外一个问题是，价格增加了一倍，老百姓能不能消费得起？
那就是观念的问题了，目前，LED照明产品的造价已经很低。
广东中山市古镇，是全国LED生产及销售的集散地，按照目前古镇市场行情，以小功率灯泡为例，器市场售价从每w人民币0.3元到0.8元不等，从产品质量和性能来说，造价越低，性能就越差，其寿命也就越短，一般，价格低廉的产品一年以内的损坏率是相当大的，有些低价的产品，甚至几个月就坏掉或者出现严重的光衰。
这些，基本上都是为了降低造价而节省材料的原因所致。
在应用技术方面，也同样存在着很多的误区：
1. LED灯珠的串联与并联
2. 隔离驱动与非隔离驱动
3. 频闪问题
4. 功率与功率因数
5. 电源效率与光效
6. 电磁辐射（EMI）
7. 发热量与散热问题
8. LED灯珠价格与质量的权衡
误区剖析1.1
关于并联 与串联
LED 灯是小功率的器件，一般情况下，用于照明灯具上，所需要的功率较大，所以，必须用多颗LED灯来组合成为一个光源，这就涉及到并联与串联的问题。
由于一般常用的LED灯珠，由于其单颗功率较小，特别是贴片型的LED，其单颗功率一般在0.1~1w范围内，单颗芯片的特性电压VF 通常有3.2-3.6v、6v，也有9~50v等多种规格。
为了达到一定的照明功率，通常，一个LED灯具，需要若干颗LED灯进行组合，所以，就必须将LED灯珠进行串联或并联，然后通过恒流驱动器，提供稳定的电流供应给LED。
那么，LED的组合，到底要选用并联，还是串联，还是串并结合？
如何串，如何并？
还得根据具体情况而定。
但是，这里面却蕴含着诸多的误区。
严格来说，每一个LED灯串，必须要有一个独立的恒流驱动装置，才能够保证其性能的稳定和较高的可靠性。
如图1
你可以多组灯串进行并联，这样，当某个LED灯串出现故障（或者是局部故障）时，它不会影响到其他的灯串，甚至，当某个灯串中出现一个或若干个灯珠短路损坏时，该灯串由于具有独立的恒流驱动器，除了损坏的LED不亮以外，其他的LED还是照样正常工作。
这是最理想的驱动方案，但是，这样会使产品的造价升高。
实际上，除了一些要求比较高的LED产品（如某些路灯产品）有使用这种驱动方式，目前市场上一般产品很少采用这种驱动方案。
目前市场上普遍使用的都是通过并、串以后再进行组合，最终使用同一个驱动器的方案，而并、串的组合方法有多种。
市场上常用的方法有下面几种，如图1b、c、d、f
图1b 是多个LED灯串并联在一起以后共用一个驱动器
图1c 是所有灯珠全部串联，然后共用一个驱动器。
图1d 、图1f 是2个以上LED为一组并联以后再进行串联。
目前，市场上的应用，大部分采用图1f的连接方式。
其实，这样的连接方法是错误的，LED最好的组合办法是串联，不要直接并联，因为，每个LED的正向电压（VF）的一致性存在着一定程度的偏差，如果两个（或以上）的LED直接并联，就会造成其电流（IF）的不平衡，VF高的电流就偏小，反之电流就偏大，电流较大的，相应的工作温度也会升高，这就导致了另外一个问题，LED的工作温度会直接影响VF的电压特性，温度升高导致VF下降，这样就产生了一个恶性循环的结果，最终，会导致部分LED提前损坏或光衰。
因此，最好，也是最合理的组合方案是全部串联，如果，所用的灯珠数量，已经超出了驱动器的电压供给范围，那么，有两种解决办法：
1.分为 分为多组灯串，并独立使用恒流驱动。
2.选用单颗功率较大的LED灯珠，以减少灯珠的数量。
或许，有些人对此不太理解，但事实上就是这样，你要做好它，就必须了解它，并按照它的规则去做。
很多人在这个问题上走进了误区，一些灯具生产厂家会认为：
LED必须并联，这样，当一个LED损坏以后，其他的灯才会保持继续工作，如果是全部串联，一颗灯珠坏掉，整个灯就不亮了。
其实，这种理解，并不正确。
下面就并、串联的电路原理，来分析一下，各种并、串联电路，在发生个别灯珠损坏的时候，各自所造成的后果。
图2a、b、c画出了目前市场最常见的一款灯板组合电路，分别表示了其中，一颗LED灯珠短路损坏、开路损坏，的情况。
图2a，表示两路并联、串联的LED ，在正常情况下，假设，单颗LED的工作电流是120ma，则，恒流驱动器选用输出总电流为240ma，正常情况下，D1、D2及各自相应的灯串电流为120ma，如果，某种情况下，假设D1开路损坏，如图2b所示（在x处断开），那么，D1就没有电流通过，这时候，所有电流（240ma）就会全部通过D2流到下一个连接点，再分担为两路。
那么，请想想，一个原本120ma电流的LED，让它在240ma的环境下工作，这颗灯珠，还能够支撑多久？
LED损坏的另外一种特征是短路，图2c，假设，D1短路损坏，那么，由于DI、D2处于并联的状态，其中，一个短路，与其并联的其他灯珠也跟着不亮了。
图2d是一个全串的电路，假设，LED的工作电流是120ma，如果，其中有一个，或者是若干个LED灯珠短路损坏，则其他没有损坏的灯珠还是正常工作，由于恒流驱动器的存在，其电流还是保持120ma不变，而且，哪个灯珠损坏哪个不亮，并不影响其他的灯珠。
另外一种损坏情况是开路，如果是开路损坏，那么，就会造成整串灯珠全部不亮。
但是，正常情况下，LED的损坏情况，90%以上是属于短路，所以，排除人为问题和工艺问题以外，开路损坏导致整个LED灯具不亮的几率相对较小。
所以，选择全串的组合方式，要优于并联的组合方式。
关于并、串联的另外一个误区，有人用过 图2d，和图2a，两种组合方案做比较，结果发现，使用同样一种驱动器（非隔离驱动），图2d 的方案反而故障率比图2a明显升高了，而且，大部分故障都是灯珠内部的打线烧坏而开路，从而就认定串联方案有问题，必须并联才可以减少故障率。
其实，他已经陷入了另外一个误区。
真正的故障元凶是驱动器！
目前市场上很多廉价的非隔离驱动器，不管是线性的、或开关型的，在启动的瞬间，会有一个浪涌脉冲，这个脉冲幅度接近工作电流10倍，如图3，虽然时间很短，也会对LED造成一定程度的伤害，一般来说，一个标准的LED灯珠，其内部都必须有一个齐纳二极管，如图4，工作中，电源所产生的浪涌脉冲，都会被齐纳二极管吸收，从而保护了LED芯片的安全。
但是，由于目前市场价格的激烈竞争，为了降低造价，市场绝大部分的LED灯珠内部都没有齐纳二极管，所以，浪涌电流就会直接通过LED灯珠而造成瞬间冲击。
另外，现在市场上的LED灯珠，都是小芯片走大电流，以0.5w的5630（或5730）为例，韩国三星的产品，芯片面积是24x48mil，其他厂家的同类产品，芯片的面积大部分是24x40mil，而现在市场上国产廉价的5630或5730，其芯片面积是14,x28mil，甚至更小。
而且，人家规格书上规定的正向电流IF150ma,是最大电流（max），也就是极限电流，而实际使用的电流要比这个电流小很多。
而目前市场上的LED灯具，很多都是采用比较廉价的LED灯珠，而工作电流却往往设置的较高，把极限电流当作正常的工作电流使用。
在这种情况下，LED容易烧坏的几率是比较大的。
那么，为什么采用并联的方式，就会减少烧坏灯珠的几率呢？
因为浪涌电流的存在，并联会把冲击电流摊分，同样的电流，由多个灯珠分担了，所以，启动时烧坏灯珠的几率也就相对小了，但，这并不能彻底解决问题，由于并联而产生的其他问题，更加不容忽视！
。
我们需要解决的，是怎么样消除驱动器的浪涌问题。
关于如何消除浪涌，在往后的章节中会做描述
未完待续
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