LED：重新定义照明的基本假设

在过去大约150年的时间里，照明行业已经发展成为一个基于标准化灯泡的大规模生产行业，灯泡的设计具有内在的过时性。消费者发现自己经常要用相同的新产品来更换短寿命的在用产品。这种趋势与一小部分大型制造商密不可分，它们通过以低成本制造数以亿计的同一种产品来满足市场需要。

随着照明行业向LED技术的转型，这种商业模式是否还能继续维持其最大利益？而且它是否能利用固态照明的基本优势？

显然，LED在能效和工作寿命方面具有非常显著的优势。LED灯泡只需要消耗三分之一的电量，就能提供与传统的白炽灯和荧光灯几乎相同的发光量。与基于更成熟技术的产品相比，LED灯泡的使用寿命还有望高出20多倍。而且，LED灯泡中的固态元件较相对脆弱的传统照明技术而言，可提供更好的机械损伤保护。总之，这些特性可为LED照明产品用户提供极具吸引力的投资回报(ROI)，特别是对于维护和灯泡更换比较困难和/或昂贵的商业和工业应用。
 
可能与该项技术的更长工作寿命同样重要的是，更高的效率和更稳固的设计是LED所具有的架构灵活性。例如，照明设计师可以选择利用LED灯的点光源，使其围绕某个形状进行分布，而不是将光源集中在一起，使用漫射器和遮罩将其分布到需要的地方。这些特性可赋予照明设计师无限的设计自由，以创新的方式设计光源。产品开发人员可将LED照明产品制作成任意形状，或将照明灯具嵌入建筑材料、墙壁或家具内。他们可以更准确的定向光源，或者更容易控制其强度或颜色，从而营造出动态的照明环境。有些制造商已经开发出窗户原型，它们在白天是透明的，通过巧妙地使用LED和不同折射率的材料，它们会在夜晚发光。
 
照明电器
通过利用LED更长工作寿命的优势以及能够形成各种创新形状和尺寸的技术，设计师可以将照明行业从大规模生产业务转变为大规模定制业务。这种新行业不是建立在标准化的、需要频繁更换的灯泡和灯具基础之上，它将为产品开发人员提供广泛的参考设计选择方案，此类设计往往利用LED技术一种或多种特有的属性。借助智能化的自动设计工具，制造商将能够快速开发高度定制的照明方案，以满足每个客户的个性化需要。在这种照明不再是一次性用品、而是可持续使用十年以上的新型业务模式中，富有美感的光源可以嵌入商业或工业建筑的墙壁中，或嵌入住宅家具内，并且它们将作为电器进行销售，可以在建筑或住宅装修改造前一直使用。
 
为实现此目标，设计师必须采取系统的设计方法。第一代LED照明系统所出现的过早故障已证明一点：任何LED照明产品的使用寿命都取决于工作寿命最短的单个元件。尽管通常的LED电路都能满足能源之星SSL V 1.1 L70所规定的约45,000小时工作寿命的要求，但为该电路供电的普通两级电源的使寿命周期仅为20,000小时左右。实际上，电源设计中的薄弱环节破坏了LED技术的长使用寿命优势和高ROI。
 
消除故障点
为什么要这样做呢？如今的许多LED照明系统都使用典型的两级电源，这种电源将用于提高功率因数的第一级升压式转换器与第二级高压DC-DC转换器结合在了一起。这些电源中最常见的故障点是用于在两级之间进行大容量储能的电解电容。由于需要在满载下连续工作，并且通常放置于镇流器的一次成型外壳或灯泡底座等密闭的狭小空间内，加上其中高发热量的电源和高亮度LED，这些大容量电解电容必须要耐受严酷的高温条件。而实际上，电容介质材料的性能会逐渐降低，器件会因失去电容容量而导致失效。尽管LED照明方案中的控制器和其他半导体的使用寿命可达到100,000小时以上，二极管、晶体管和陶瓷电容也具有同样长的使用寿命，但目前照明行业中大多数两级电源所采用的电解电容的使用寿命都仅有20,000小时左右。

鉴于LED技术存在一项明显的弱点，以下热管理问题显得特别重要：虽然使用传统技术的灯泡可以红外线形式耗散过多的能量，但LED必须将过多的热量传递到它们的散热片。这些热量很容易达到过高水平，尤其是在照明方案被压缩到较小的灯泡底座时。对这些热问题进行精心管理在LED设计中尤为重要，因为过高的环境温度不仅会提高LED结温，从而影响光输出，而且还会缩短LED的工作寿命。
 
解决此问题的一种方法是，在开发LED照明方案时采用这样的电源拓扑结构：可以同时消除隔离反激式设计中脆弱的电解电容和不可靠的光隔离器。新一代的单级功率LED驱动器可以通过消除这些潜在的故障点来满足这种需要。通过将电解电容替换为具有高稳定性的陶瓷电容，这些电源的使用寿命可非常接近LED。此外，通过在90%以上的频率下工作，同时超出能源之星的PF及THD要求，这些高度集成的转换器可产生更少的热量，并且在此过程中有助于简化高度紧凑型照明设计的热管理问题。

结论
很显然，LED技术在灵活性、能效及使用寿命方面具有独特的设计优势，同时为照明制造商提供了彻底改变行业模式的良好机会。然而，为使这些优势达到最大化，设计师必须将LED及其电源作为单个电器进行研究和设计。通过认真考量各个设计元件对热量分布的影响以及如何更好地控制环境条件，照明开发人员可以将其行业过渡到一个新的阶段，让LED解决方案成为楼宇及住宅建筑中真正的有机组成部分。

作者：Doug Bailey，Power Integrations, Inc.