固态LED照明技术已成为全球高质量、高效和可靠的消费者和工业照明应用的首选，由于监管指导和终端消费者需求等因素的影响，其采用仍在加速
 
作者：京瓷AVX公司业务发展经理Raul Wang、高级研究员Ron Demcko
 
 
2023年，全球LED照明市场的价值为715.9亿美元，预计2024年至2032年将以11.20%的复合年增长率增长，届时预计将增长到1861.2亿美元。这一稳定增长趋势背后的许多原因都与LED技术的固有优势有关，其中包括：
 

• 比竞争照明技术更高的能源效率。这些改进有助于用户降低运营成本，并有助于实现可持续发展目标。
• 寿命长。正确选择LED、LED驱动电路和热控制机制可以产生可靠、长寿命的光源，与竞争的照明技术相比，可以显著降低维护和更换成本。
• 广泛的应用适用性。固态LED灯对冲击、振动和外部压力不敏感，使其非常适合各种应用环境。
• 定制灯光配置。LED支持定制的光强度和颜色配置，旨在满足特定的终端用户要求。
• 紧凑型和定制尺寸。固态LED照明提供了紧凑的占地面积，与小型化趋势兼容，此外还设计了优化空间的封装尺寸。

 
LED灯具的广泛采用已经有很长一段时间了，但制作开关并不总是像更换白炽灯泡或将其换成紧凑型荧光灯（CFL）灯泡那么简单。LED必须以特定的DC电流驱动，更复杂的是，许多LED通常用于实现被取代的照明技术（例如白炽灯泡）的等效发光输出。
LED及其驱动电路也需要同时冷却以防止热损伤，并且支持的驱动电路必须设计为在极端环境下长时间运行，以与LED管芯的平均寿命相一致。此外，一旦LED驱动器经过设计和鉴定，它和它设计用于供电的LED都必须以吸引最终客户、易于安装、在各种应用环境中表现出可靠性能并支持长使用寿命的形式进行封装。
 
LED驱动器
LED驱动器和控制电路对LED的质量、强度和性能至关重要。LED驱动器必须小巧、节能、用户友好且可靠，才能提供固态照明的固有优势。因此，研究常见LED驱动器的基础知识并正确看待其子系统是值得的。
设计用于AC电源的LED驱动器通常使用反激式转换器电源拓扑（见图1）。反激式转换器LED驱动器往往成本低，设计相对简单，并且易于修改，以允许功率因数校正（PFC）功能，从而进一步提高能源效率。它们也倾向于提供广泛的可调光范围，几乎不会产生任何后果。
反激式转换器电源拓扑以两个MOSFET为中心，用于通过变压器控制能量传输，变压器提供与电源的隔离，并在其输出上驱动LED。低损耗二极管用于整流，选择电容器将电压平滑并积分到可接受的水平，以避免闪烁。
 


图1：AC/DC反激式LED驱动电路
 
电容器选择
LED驱动器的可靠性通常决定了LED灯具的长期可靠性。因此，驱动器设计的组件选择过程是一项非常重要的工作。本文重点介绍LED驱动电路中部署的电容器的选择。
许多LED驱动器设计使用铝电解（AlEl）电容器，因为可用的铝电解产品可以满足广泛的电路要求。LED驱动器设计人员需要具有中等到大电容值、合理稳定性、低等效串联电阻（ESR）、低成本和长寿命性能额定值的小尺寸电容器。更高的额定电压也很受欢迎，因为额定施加电压降额可以显著提高电容器的可靠性。铝电解技术充分满足了所有这些需求，有三种不同的技术可供选择：

• 标准（湿）铝电解
• 混合铝电解
• 聚合物铝电解

 
其相对优缺点如下表1所示。


表1：铝电解电容器技术的并排比较
 
可靠性
与竞争照明技术相比，LED照明的相对复杂性反映在其成本上，但LED照明技术的高可靠性和长寿命性能远远弥补了最初的差距。因此，当将灯具视为一个整体时，系统中每个组件的寿命（包括反激式驱动器和启用电解电容器）与LED的寿命一样好或更好，这一点至关重要。
电解电容器的磨损机制遵循Arrhenius模型（图2），这是大多数有机系统的标准做法。从历史上看，有机基电解电容器的关系是工作温度每降低10°C，寿命就会延长一倍。尽管聚合物铝电容器的寿命明显优于标准铝电容器，如图2所示。
 

图2：标准铝电解电容器（上）和聚合物铝电解电容（下）的预期寿命方程
 
聚合物铝电容器寿命长且具有如此优越的磨损特性的原因之一是其结构固有的自愈机制。当这种电介质在电容器内的任何点发生击穿时，从阳极到阴极的电流会产生瞬时但大量的热量，这会改变聚合物层，形成新的绝缘屏障，切断电流，使电容器能够继续运行，性能只会略有下降。
 


图3：聚合物铝电容器的自愈机制
 
标准、湿式、非聚合物铝电解槽也具有一定程度的自愈性。由于液体电解质，电解过程中会产生氧气，这可以使介电杂质或微裂纹引起的故障部位再生，改造介电层，减少漏电流。然而，随着时间的推移，液体电解质将被这一过程耗尽，并加速正常的磨损过程。
 
新兴铝电解电容器选项
导电聚合物电解质：用导电聚合物电解质代替湿电解质消除了密封壳和引线之间液体电解质泄漏的可能性以及长期老化（即蒸发）的问题，这使得导电聚合物铝电容器比标准湿铝电容器更可靠。与标准湿铝电解槽相比，导电聚合物铝电解槽的ESR也低近两倍，RMS电流能力高两到三倍，温度稳定性高约三倍，并且它们具有类似的外壳尺寸、电容值和额定电压。此外，每种技术的20°C降额表明，湿铝电容器的预期寿命增加了四倍，而导电聚合物铝电容器则增加了大约十倍。
这种材料技术的局限性包括DC泄漏增加、价格更高以及对高冲击和振动的敏感性。聚合物铝电解液的DC泄漏约为0.2CV或300-500µA，而湿铝电解液约为0.01CV或3µA。但在设计过程的早期，这是一个可控的增长，尤其是考虑到导电聚合物材料系统的可靠性是湿式电解的两倍多，同时降低了ESR并增加了RMS电流。
 
混合电解质：开发混合电解质是为了减少导电聚合物电解质的DC泄漏效应，降低湿电解质的ESR，从而提高这两种材料的可靠性和性能特性。它们在高湿度环境中也表现出色，因此，其价格高于湿的导电聚合物材料系统。尽管它们确实存在一些CV限制，但额外的材料研究和工艺改进正在积极努力克服这些挑战。
 
总结
虽然LED已经成为高质量、高效和可靠的消费者和工业照明的事实标准，但这一成功在很大程度上是建立在对支持电路和硬件的深思熟虑的设计和开发之上的。LED驱动器对环境坚固性和宽电压和电流公差有严格的要求，满足这些要求取决于选择合适的电解电容器。标准、聚合物和混合铝电解质可以结合使用，以平衡它们在LED驱动器设计不同方面的优缺点，从而实现最佳的照明产品。
 
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