【导读】LED作为新型绿色照明技术，其光效高、能耗低、寿命长、光衰小等优点，逐渐被应用于各种领域。特别是LED向消费者提出的25年无需更换的承诺，更是成为LED的一个最大的卖点。因此，如何提高LED使用寿命，就成为设计者必须注重的问题。本期大讲台为你解析如何去提高LED寿命。
全球各地政府都出台了要求白炽灯逐步退市的规定，这推动了向固态照明技术的转变。LED技术与被替代的传统白炽灯相比，主要好处是更长的工作寿命，以及更低的每瓦小时工作成本。白炽灯的典型寿命大约是1000小时。而LED灯泡号称有5万小时以上的工作寿命，同时在等效光输出下，功耗只有前者的约20%。
对于如何提高LED寿命，本文从3个方面来解析：1）电源及驱动电路的设计；2）调光控制；3）预期寿命；4）封装技术。
1.电源及驱动电路的设计
LED正常工作要求有恒定的直流电流，且电压远低于整流后的交流线电压，因此需要将标准交流电压降低到可用电平的驱动电路。要使LED灯泡与标准灯口兼容，设计者必须将驱动电路集成在灯泡内。如果处理不当，这种整合就会增加LED灯泡发生机械故障的可能性。
以往的LED灯泡驱动器都需要大量外接元件、高价的隔离元件，以及特殊的设计策略，以防止关键元件出现长期老化问题（如电解电容）。现在，驱动电路的整合使灯泡更容易产生可靠性问题，如早期失效或使MTTF（平均无故障时间）率下降。
MTTF是对首次出现故障时间的量度值，通常以电路中每种元件的FIT率（每10亿小时故障率）计算得出。由于驱动电路要将大交流电压（100Vac/220Vac）降低到可为LED供电的一个dc电压，因此出于安全考虑要做电气隔离。
在典型的电气隔离AC/DC转换器中，会用一个分立的光隔离器（或光耦）提供从次级端到初级端控制器的反馈，它将一个电信号转换为光信号，使该信号通过光障，然后再转换回电信号（图1）。因为光耦的FIT率高于半导体元件，因此就降低了整个电路的MTTF指标。
图1：典型的电气隔离AC/DC转换器中用一个分立的光隔离器
另外，由于老化的影响，光耦的电流传输率可能会随时间和温度而改变。这种变动会影响到电源的回路稳定性，缩短LED驱动电路的寿命。虽然很多LED灯和灯具可以工作在高的PCB温度下，但设计者必须消除这些薄弱环节，才能获得更长的寿命。
图2：iWatt公司的初级端数字控制技术PrimAccurate
图2显示了iWatt公司的初级端数字控制技术PrimAccurate这种专利方案采用实时波形分析，通过隔离变压器初级端来检测LED电流，而不需要来自输出端的直接反馈，同时保持了对LED串的严格恒流调节。
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2.调光控制
今天生产的LED灯泡还必须与家庭中现有的照明技术反向兼容。调光器提供了家居的气氛照明，而LED照明做白炽灯替代品的一个好处就是可以方便地调光，比荧光灯更有效地符合白炽灯泡的特性。
不过，要支持调光功能，LED驱动器需控制多个因素，包括调光器检测、兼容性，以及光闪烁等。为了优化照明系统的工作寿命，在与LED驱动器一起使用调光器时，一个关注点是耐用性。
典型的A型白炽灯泡是纯阻性的。当用调光器来控制普通A型灯泡的亮度时，调光器上的负载也是纯阻性的，通过调光器的是恒定电流，可以控制。
而LED驱动器实际上是一个电流源，其输入端对调光器来说，有高的容性，在上电时，会出现一个巨大的浪涌电流为容性负载充电，然后才稳定到一个低得多的电流水平。这个浪涌电流可能损坏标准调光器，必须减小这个电流，以避免损及调光电路的寿命。
调光器浪涌问题的一个解决方法是采用一种两级方案来驱动LED,而不采用直接的反激转换器方法，因后者有高的容性输入阻抗。在两级方案中，初级用于将阻抗提升到一个可控水平，从而降低浪涌电流，为调光器提供所需要的安全与保护。
图3：iWatt公司的iW3616LED驱动器
图3就采用了两级方案，它有一个双重功能的初始升压转换器：首先，为调光器提供所需的负载阻抗，减少浪涌电流；其次，使输入电流保持与电源电流相同的相位，以提高整个电路的功率因数。这种方案不仅能够延长调光器的寿命，而且也可以产生高的功率因数。iW3616中提供初级端控制的数字块包含检测算法，几乎能与市场上所有现成调光器一起配合使用。同一算法还控制着升压转换器，优化电路的动态输入阻抗，以改善功率因数，并降低浪涌电流。
3.预期寿命
在优化LED灯泡工作寿命时，还有一个同样重要的考虑因素，这就是LED本身的预期寿命。与所有半导体元件一样，LED的工作结温越高，其预期寿命就越短。电解电容也有预期寿命，同样取决于工作温度。
一种方案是降低LED的额定驱动电流，以及简单地用多只LED来产生特定的光输出量，这样单只LED上发热较少，因此降低了结温。这种方法可延长灯泡工作寿命，但换得的是更高的方案成本，因为需要更多的LED.此外，它还无法适应外部因素，例如灯具的物理尺寸特性，发热量可能超过预期。
另一种方法是优化LED的最大电流，即设立一个最高结温，超过则会触发LED电流的下降，以避免老化。现有数字LED驱动控制器实现了一个两级保护机制，设计者用一只外接器件就可以设定最高LED温度。LED结附近放一个NTC（负温度系数）电阻做温度监测器。NTC电阻连接到LED驱动IC上，用温度反馈器件来保护LED。
图3中的iW3616采用了一只NTC器件来保护LED灯泡中的LED。如果LED结达到了NTC元件所设定的最大温度阈值，则控制器以10%的间隔减少LED电流，直到温度稳定为止。如果温度降下来了，则LED电流以相同的反向10%步长，逐步回到其最大设定值，并有适当的迟滞量以防止振荡。如果发生重大故障事件，失效恢复模式可将通过LED的电流降低到预设输出电流的1%。这种过热保护结构为LED灯泡提供了设计的灵活性，极端工作条件下仍会为灯泡提供完全的保护，设计者不必再担心这类问题。
LED已经发展到成本与光输出可与其它竞争方案相匹敌的阶段，LED照明正在努力地成为家居白炽照明的实用替代品。这一新技术的成功关键是驱动器的实现。要确保LED真正具有号称的长工作寿命，除了设计人员都在努力优化的效率和成本参数以外，其它因素也非常关键，如温度、调光控制与可靠性等。
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4.封装技术
对于提高LED寿命来说，LED的封装技术也是一个重要方面。封装主要目的是为了确保半导体芯片和下层电路间之正确电气和机械性的互相接续，及保护芯片不让其受到机械、热、潮湿及其它种种的外来冲击。选择封装方法、材料和运用机台时，需考虑到LED磊晶的外形、电气/机械特性和固晶精度等因素。因LED有其光学特性，封装时也须考虑和确保其在光学特性上能够满足。
无论是垂直LED或SMD封装，都必须选择一部高精度的固晶机，因LED晶粒放入封装的位置精准与否是直接影响整件封装器件发光效能。若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全反射出来，影响成品的光亮度。但若一部固晶机拥有先进的预先图像辨识系统（PR System），尽管品质参差的引线框架，仍能精准地焊接于反射杯内预定之位置上。
图4：LED固晶机
一般低功率LED器件（如指示设备和手机键盘的照明）主要是以银浆固晶，但由于银浆本身不能抵受高温，在提升亮度的同时，发热现象也会产生，因而影响产品。要获得高品质高功率的LED,新的固晶工艺随之而发展出来，其中一种就是利用共晶焊接技术，先将晶粒焊接于一散热基板（soubmount）或热沉（heat sink）上，然后把整件晶粒连散热基板再焊接于封装器件上，这样就可增强器件散热能力，令发相对地增加。至于基板材料方面，硅（Silicon）、铜（Copper）及陶瓷（Ceramic）等都是一般常用的散热基板物料
共晶焊接技术
共晶焊接技术最关键是共晶材料的选择及焊接温度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用纯锡（Sn）或金锡（Au-Sn）合金作接触面镀层，晶粒可焊接于镀有金或银的基板上。当基板被加热至适合的共晶温度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高溶点，令共晶层固化并将LED紧固的焊于热沉或基板上。
图5：LED共晶焊接技术
选择共晶温度视乎晶粒、基板及器件材料耐热程度及往后SMT回焊制程时的温度要求。考虑共晶固晶机台时，除高位置精度外，另一重要条件就是有灵活而且稳定的温度控制，加有氮气或混合气体装置，有助于在共晶过程中作防 氧化保护。当然和银浆固晶一样，要达至高精度的固晶，有赖于严谨的机械设计及高精度的马达运动，才能令焊头运动和焊力控制恰到好处之余，亦无损高产能及高 良品率的要求。
进行共晶焊接工艺时亦可加入助焊剂，这技术最大的特点是无须额外附加焊力，故此不会因固晶焊力过大而令过多的共晶合金溢出，减低LED产生短路的机会。
LED已经发展到成本与光输出可与其它竞争方案相匹敌的阶段，LED照明正在努力地成为家居白炽照明的实用替代品。要确保LED真正具有号称的长工作寿命，除了设计人员都在努力优化的效率和成本参数以外，在电源及驱动电路的设计、调光控制、预期寿命、封装技术等方面都要不断地改进，这样才能使LED不断地向前发展，进而真正普及到各个领域。
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