中财网黎汉持风水:LED 灯具长寿的解决方案
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/05/13 20:42:36
LED的寿命为何长呢？那就要从led的发光原理说起了。LED，即发光二极管。是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。多变幻：LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。
白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光的，经过相当长时间的加热，钨丝就会老化甚至烧断，至此，白炽灯泡的寿命也就此告终了，而发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的，二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子和多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，所以LED发光的寿命可以很长。
现实问题：LED灯并不长寿
尽管LED照明具有具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点，但颇具讽刺意味的是，我们常常听闻由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具变得并不“长寿”，极大地增加了维护/使用成本；或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的能效转换比并不是想象中那么高，或者由于输出电流纹波没有得到很好的控制而影响了发光品质，使得LED照明的绿色节能优势大打折扣，甚至影响了市场普及。
如何预测LED寿命？
一切事物都有发生、发展和消亡的过程，虽然比起一般的发光器件，LED的寿命相对比较长，但也是有一定寿命的。早期的LED只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的LED路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。理论上可以10万小时的寿命，可是实际上却不可而知，那么到底问题出在哪里呢？
假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。那么LED的寿命能不能预测呢？答案是肯定的。
1． LED的光衰：
大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光 LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。
从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于Cree的LED。并不适合于其他公司的LED。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。
当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。
2．如何才能延长LED 的寿命
由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把LED产生的热散发出去。
在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的LED寿命。3． 如何测量结温
结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在LED的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进PN结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻Rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。，但是在安装好散热器以后，问题就又变得复杂起来了。因为通常LED是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms（铝基板到散热器），Rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。
图3. LED到散热器各个热阻的示意图幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢？这个关系又是怎么样的呢？ 我们首先要从LED的伏安特性讲起。4． LED伏安特性的温度系数
我们知道LED是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图4中画出了LED的伏安特性的温度特性。
图4. LED伏安特性的温度特性 假定对LED以Io恒流供电，在结温为 T1时，电压为V1，而当结温升高为T2时，整个伏安特性左移，电流Io不变，电压变为V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以 mV/oC表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mV/oC。但是LED大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家 LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其温度系数为-4mV/oC。要比普通硅二极管大2倍。至于美国普瑞的阵列LED（BXRA）就给出了更为详细的数据。
5． 如何具体测算LED的结温。
现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。来说明如何具体测算LED的结温。要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出结温了。实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。 采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。6． 如何来预测这个灯具的寿命 从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。 不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。
长寿命LED照明解决方案
一、先进封装技术解决散热问题
由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射，假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板，则反射板会借鉴光线，使光线的抽取量急速锐减。所以，我们必须得想办法减低LED芯片的温度，从而减缓LED芯片降低温度效用的负担。保持LED的运用生存的年限，目前研究出来的办法是改善芯片外形，使用小规模芯片，关于LED的长命化，到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料，同时将荧光材料散布在封装材料内，特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料，可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。
如何改善LED散热性能
由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射，假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板，则反射板会借鉴光线，使光线的抽取量急速锐减。因为这个，不可少想办法减低LED芯片的温度，换言之，减低LED芯片到烧焊点的热阻抗，可以管用减缓LED芯片降低温度效用的负担。
相关LED的运用生存的年限，例如改用硅质封装材料与瓷陶封装材料，能使LED的运用生存的年限增长一位数，特别是白光LED的闪光频谱包括波长低于450nm短波长光线，传统环氧气天然树脂封装材料极易被短波长光线毁伤，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，依据业者测试 最后结果显露 蝉联点灯不到10,000小时，高功率白光LED的亮度已经减低二分之一以上，根本没有办法满意照明光源长生存的年限的基本要求。到现在为止有两种延长组件运用生存的年限的对策，作别是，制约白光LED群体的温升，和休止运用天然树脂封装形式。
不过，其实大功率LED 的发卡路里比小功率LED高数十倍以上，并且温升还会使闪光速率大幅下跌。具体内部实质意义作别是：减低芯片到封装的热阻抗、制约封装至印刷电路基板的热阻抗、增长芯片的散热顺利通畅性。
想办法减损热阻抗、改善散热问题
相关LED的闪光速率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水准。有鉴于此美国Lumileds与东洋CITIZEN等照明设施、LED封装厂商，一个跟着一个研发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN在2004年着手着手制作白光LED样品封装，不必特别结合技术也能够将厚约2~3mm散热装置的卡路里直接排放到外部，依据该CITIZEN报导固然LED芯片的结合点到散热装置的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，并且在普通背景下室温会使热阻抗增加1W左右，纵然是传统印刷电路板无冷却风扇强迫空冷状况下，该白光LED板块也可以蝉联点灯运用。
相关闪光特别的性质平均性，普通觉得只要改善白光LED的荧光体材料液体浓度平均性与荧光体的制造技术，应当可以克服上面所说的围困并搅扰。
因为增加电力反倒会导致封装的热阻抗急速降至10K/W以下，因为这个海外业者以前研发耐高温白光LED，打算借此改善上面所说的问题。
固然硅质封装材料可以保证LED的40,000小时的运用生存的年限，不过照明设施业者却显露出来不一样的看法，主要争辩是传统电灯泡与日光灯的运用生存的年限，被定义成“亮度降至30百分之百以下”。亮度减半时间为四万钟头的LED，若换算成亮度降至30百分之百以下的话，大约只剩二万钟头左右。
普通觉得假如彻底执行以上两项延寿对策，可以达到亮度30百分之百时四万钟头的要求。因为这个，松下电工研发印刷电路板与封装一体化技术，该企业将1mm正方形的蓝光LED以flip chip形式封装在瓷陶基板上，继续再将瓷陶基板粘附在铜质印刷电路板外表，依据松下报道里面含有印刷电路板顺德led显示屏在内板块群体的热阻抗约是15K/W左右。所以Lumileds与CITIZEN是采取增长结合点容许温度，德国OSRAM企业则是将LED芯片设置在散热装置外表，达到9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM以往研发同级产品的热阻抗减损40百分之百。值当一提的是该LED板块 封装时，认为合适而使用与传统办法相同的flip chip形式，然而LED板块与散热装置结合乎时常，则挑选最靠近LED芯片闪光层作为结合面，借此使闪光层的卡路里能够以最短距离传导排放。
以往LED 业者为了取得充分的白光LED 光柱，以前研发大尺寸LED芯片 打算藉此形式达到预先期待目的。如上增长给予电力的同时，不可少想办法减损热阻抗、改善散热问题。然而，其实白光LED的给予电努力坚持续超过1W以上时光柱反倒会减退，闪光速率相对减低20~30百分之百。换言之，白光LED的亮度假如要比传统LED大数倍，耗费电力特别的性质逾越日光灯的话，就不可少克服下面所开列四大课题：制约温升、保证运用生存的年限、改善闪光速率，以及闪光特别的性质平均化。反过来说纵然白光LED具有制约热阻抗的结构，假如卡路里没有办法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度升涨的最后结果毅然会使闪光速率急速下跌。
解决封装的散热问题才是根本办法
温升问题的解决办法是减低封装的热阻抗；保持LED的运用生存的年限的办法是改善芯片外形、认为合适而使用小规模芯片；改善LED的闪光速率的办法是改善芯片结构、认为合适而使用小规模芯片；至于闪光特别的性质平均化的办法是改善LED的封装办法，这些个办法已经陆续被研发中。因为环氧气天然树脂借鉴波长为400~450nm的光线的百分率高达45%，硅质封装材料则低于1百分之百，辉度减半的时间环氧气天然树脂不到一万钟头，硅质封装材料可以延长到四万钟头左右，几乎与照明设施的预设生存的年限相同，这意味着照明设施运用时期不需改易白光LED。然而硅质天然树脂归属高弹性软和材料，加工时不可少运用不会刮伤硅质天然树脂外表的制造技术，这个之外加工时硅质天然树脂极易依附粉屑，因为这个未来不可少研发可以改善外表特别的性质的技术。
相关LED的长命化，到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料，同时将荧光材料散布在封装材料内，特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料，可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。
改变封装材料制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度
2003年东芝Lighting以前在400mm正方形的铝合金外表，铺修闪光速率为60lm/W低热阻抗白光LED，无冷却风扇等特别散热组件前提下，试着制做光柱为300lm的LED板块。主要端由是电流疏密程度增长2倍以上时，不惟不由得易从大型芯片抽取光线，最后结果反倒会导致闪光速率还不如低功率白光 LED的窘境。依据德国OSRAM Opto Semi conductors Gmb实验最后结果证明，上面所说的结构的LED芯片到烧焊点的热阻抗可以减低9K/W，约是传统LED的1/6左右，封装后的LED给予2W的电力时，LED芯片的结合温度比烧焊点高18K，纵然印刷电路板温度升涨到50℃，结合温度顶多只有70℃左右；相形之下过去热阻抗一朝减低的话，LED芯片的结合温度便会遭受印刷电路板温度的影响。制约白光LED温升可以认为合适而使用冷却LED封装印刷电路板的办法，主要端由是封装天然树脂高温状况下，加上强光映射会迅速劣化，沿袭阿雷纽斯法则温度减低10℃生存的年限会延长2倍 。
因为散热装置与印刷电路板之间的细致精密性直接左右导热效果，因为这个印刷电路板的预设变得十分复杂。
为了减低热阻抗，很多海外LED厂商将LED芯片设置在铜与瓷陶材料制成的散热装置（heat sink）外表，继续再用烧焊形式将印刷电路板的散热用导线连署到利用冷却风扇强迫空冷的散热装置上。因为东芝Lighting领有浩博的试着制做经验，因为这个该企业表达因为摹拟剖析技术的进步提高，2006年在这以后超过60lm/W的白光LED，都可以轻松利用灯具、框体增长导热性，或是利用冷却风扇强迫空冷形式预设照明设施的散热，不必特别散热技术的板块结构也能够运用白光LED。
Lumileds于2005年着手制作的高功率LED芯片，结合容许温度更高达+185℃，比其他企业同级产品高60℃，利用传统RF 4印刷电路板封装时，四周围背景温度40℃范围内可以输入相当于1.5W电力的电流（约是400mA）。这也是LED厂商完全一样认为合适而使用瓷陶系与金属系封装材料主要端由。纵然封装技术准许高卡路里，然而LED芯片的结合温度却可能超过容许值，最终业者终于了悟到解决封装的散热问题才是根本办法。
三种主流LED封装散热结构
LED封装光源的散热问题，一直是LED产品开发中遇到非常重要的问题，特别是散热材料的选用，一直是工程师的难题。因为产品材料的导热性能就非常之关键。
就目前而言，陶瓷材料是导热性能非常好的材料，它有导热率高，良好的物量性能（不不收缩，不变形），良好的绝缘性能与导热性能。因此，采用陶瓷材料将是未来LED产品开发的主流趋势！
下面对几种LED封装常用材料的相关参数、性质及结构进行了对比。并图解了LED封装常用陶瓷支架的生产原理。
LED封装常用材料相关参数对比图
低压电解电容器的寿命测试
大家要明白，电子工业中采用所谓“导热陶瓷”（实际导热远不如铜、铝等金属）的目的是什么。并非是它导热比常用的导热金属的导热能力强，而是在于陶瓷的绝缘性能和低的膨胀系数。当这两项参数不是问题时，使用陶瓷绝对无益。导热好的陶瓷导热性能不如铜，与铝相当，价格高，加工难，脆性大，不抗震动。
提示一下，有兴趣的可以去看看下面几种材料的性能再回来看这个帖子。氧化铝、氧化铍、氮化铝、纯铜、纯铝、散热用的几种合金铝、铝基板及铝基板的绝缘层，等等。好好学习一下这些材料的物理特性，再了解一下它们的价格。
LED热隔离封装技术及对光电性能的改善
在传统的白光LED封装结构中，荧光粉直接涂覆于芯片上面，工作时，芯片释放的热量直接加载在荧光粉上面，导致了荧光粉的温升，使得荧光粉在高温下转化效率降低。而在荧光粉与芯片之间引入一层低导热的热隔离层能够有效的阻止芯片的热量直接加载到荧光粉上，降低了荧光粉层温度，使得白光LED在大电流注入下都能保持较高的流明效率。除了芯片释放的热量之外，涂覆的荧光粉受蓝光激发时，因荧光粉的转化效率尚未达到100%，另外由于散射等其它损耗的存在，荧光粉颗粒本身也会有少量的热量释放，容易形成局域热量累积，为此当荧光粉材料转化效率较低时，还需为荧光粉提供散热通道，防止荧光粉颗粒局域热的生成。下面通过传统荧光粉涂覆方式和热隔离封装方式两组实验对比了解两种结构中芯片和荧光粉的热相互作用。
1. LED芯片对荧光粉的加热
为了评价LED芯片对荧光粉热性能方面的影响，我们制作了两组白光LED封装结构，一组采用传统的荧光粉涂覆方式，另一组采用热隔离的荧光粉涂覆方式，图5是该热隔离封装结构的剖面制样图。
图5 传统白光LED横截面图示(a)荧光粉热隔离封装结构(b)，h=1mm
荧光粉热隔离封装结构是通过荧光粉覆膜的方式实现的。荧光粉覆膜技术是我们提出的一种新型荧光粉涂覆方法，即根据出光要求设计好荧光粉膜层的结构，在专用模具内完成荧光粉膜层的成型，剥离后，将荧光粉膜层转移到LED芯片上方，同时LED芯片和荧光粉膜层中间还有一层低导热系数的硅胶层。为了表明两种封装结构热性能上的差别，我们比较了两种封装结构表面的温度分布图。图6是两种封装结构在200、350和500mA直流驱动下表面IR Camera测得温度径向分布。在200 mA驱动电流下时，热隔离封装结构比传统封装方式中心温度低1.6℃。在350mA和500mA注入电流下时，荧光粉层的温差分别达到了8.5℃和 16.8℃，并且在500mA注入电流下时，传统结构荧光粉的表层最高温度已经达到130.2℃。另外，热隔离封装结构整个荧光粉表层的温度都很均匀，而传统结构中荧光粉中心温度较高，在大电流时尤为明显。
我们通过有限元模拟来分析封装结构中的参数变化对白光LED性能的影响。结果表明，可以通过封装结构设计及封装材料热导率调整来调控荧光粉层的温度。图7是LED热隔离封装结构中的温度纵向分布，荧光粉层的温度通过引入的热隔离硅胶层大大降低了。
图6 传统结构和热隔离结构中荧光粉表面的温度曲线，红色为实验值，蓝色为模拟值
图7 热隔离封装结构中，样品沿h2方向的径向温度分布(h2=1mm)
综上所述，降低荧光粉层温度的有效办法是在芯片与荧光粉层之间引入低导热的热隔离层，尤其对于更大功率的LED器件而言，对荧光粉的热控制技术显得尤为重要。
2．荧光粉局域热效应
荧光粉层并不是具有均匀热导率的单一介质，而是由荧光粉颗粒与低导热的硅胶混合而成，每颗荧光粉颗粒由硅胶包裹而成。我们的研究结果表明荧光粉颗粒在不同的转化效率下(即不同的释热量)芯片和荧光粉的温场分布。在荧光粉转化效率高(>80%)的情况下，荧光粉的温度主要受芯片加热的影响。荧光粉距离芯片越近，温度越高，热隔离的措施能有效降低荧光粉的温度。在荧光粉颗粒发热明显的情况下，由于包裹荧光粉颗粒是低导热率的硅胶，荧光粉颗粒会形成局域热量，使得荧光粉颗粒的温度升高，甚至超过芯片的温度。而出现荧光粉局域热量的条件是荧光粉的低转化效率，导致荧光粉释热大。
在实际的LED封装结构中，荧光粉的转化效率高，荧光粉的温度主要是由于芯片的加热作用，荧光粉与芯片直接有效的热隔离能明显降低荧光粉的温度。进一步降低荧光粉层的温度可以通过提高荧光粉层的导热率来实现。
为了表明两种封装结构对白光LED光色性能的影响，我们把LED白光光谱中蓝光波段(Blue) 和黄光波段(Yellow)提取出来，以蓝光波段光谱和黄光波段光谱的积分量比例值(B/Y)作为光谱评价依据。图8表明的是电流从50mA到 800mA，两种情况下B/Y值跟注入电流的关系，B/Y值的变化反映了白光LED光色的变化，在图9中，我们展示了两种结构中光通量、色温(CCT)跟注入电流的变化关系。两种封装结构中，注入电流在达到300mA以前，两者光通量的值几乎没发生变化，随着注入电流的继续升高，热隔离封装结构显示了更好的光饱和性能。色温CCT反映了白光LED光色的表现性能，注入电流从50mA增加到800mA，热隔离结构的LED色温仅变化253K，而传统结构 LED色温变化达1773K。图8中B/Y值的变化也反映了这种趋势，热隔离封装结构在较大的电流变化范围内B/Y值变化很小，而传统结构中B/Y值的变化很大。在传统结构中，电流越大时，B/Y值也随着增大，这说明随着电流增加，LED光谱中蓝光成分增强，而将蓝光转化为黄光的荧光粉转化效率下降。而造成荧光粉转化效率下降的一个重要原因就是芯片对荧光粉的加热，造成了荧光粉温度上升。
图8 两种封装结构中白光LED光谱中蓝光段(Blue)与黄光段(Yellow)光强比(B/Y)(插图是蓝光和黄光比例) 
荧光粉热隔离封装结构带来光色性能的改善，一个重要原因是由于该结构降低了荧光粉的温度，使得荧光粉保持了较高的转化效率。
二、高效率电源匹配LED长寿特征
由于拥有更高的效率与更长的使用寿命，LED的使用日益普及。因此，供电电源需要具有更高效率，至少要有与LED相同的使用寿命。就THD（总谐波失真）而言，欧洲标准EN61000-3-2对功率损耗超过25W的照明装置有严格限制。此外，这些照明装置需要满足功率因数要求。为此，需要包含有源PFC（功率因数校正），以确保输入电流与输入电压吻合。 LED驱动电源的选择和设计应考虑的问题 LED是具有二极管特性的发光管，它只能单方向通电。通常LED亮度输出与通过LED电流成正比，但白光LED在大电流下会出现饱和现象，发光效率大幅度降低，甚至失效，因此LED使用电流不能超过其规格额定值。另外，LED亮度输出与温度成反比，所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。 目前LED均采用直流驱动，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电。根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点：1．高可靠性
特别像LED 路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。2．高效率
LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的溫升。对延缓LED的光衰有利。3．高功率因素
功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。4．驱动方式
现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。5．浪涌保护
LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。6．保护功能
电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。7． 防护方面
灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。8 ．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。9 ．要符合安规和电磁兼容的要求。
三、ESD保护延长LED现场使用寿命
随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管(HB-LED)的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED 在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电(ESD)保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的Vidya Premkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。
集成ESD保护提升HB-LED的寿命和质量
随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管(HB-LED)的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电(ESD)保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的VidyaPremkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。
引言：演进曲线之外的威胁
绿光和蓝光LED的商业化，再结合近年来实现的每个器件平均光输出稳步快速的提升，为固态照明开启了大量新的应用市场。HB-LED的价格和性能已经超越海兹定律(Haitz's Law)（类似于针对晶体管密度的摩尔定律）；根据这个定律，LED的光输出等级每2年会翻倍，平均每流明光输出的成本每10年会降低10倍。
事实上，LED的光输出现在每18个月（甚至更短时间）就翻倍，如今市场上已有光效达到120 lm/W的器件，而领先的实验室甚至都演示了光效达200 lm/W的LED。HB-LED的光输出能力和成本大幅改善的同时，也跟当今先进集成电路(IC)一样，容易因ESD而遭受严重损伤。
IC制造商已经将ESD损伤确定为CMOS器件现场可靠性的一项主要威胁，它可能损害品牌形象并妨碍市场接受新技术。为了避免这个情况，业界积极努力用后续新工艺节点来优化集成ESD保护架构，虽然这项工作很少(如果有的话)受到媒体的关注。同样地，领先的HB-LED制造商也将ESD确定为固态照明的一项显著威胁，并与ESD专家协作制定适合的保护措施。当总光输出增加提供了令人兴奋的题材，众多有效的ESD保护措施也应运而生，并被知名制造商并入到已在市场销售的HB-LED之中。
易受ESD损伤
将蓝宝石衬底和制造绿光和蓝光发射器时使用的外延集成在一起，结果使得器件与红光LED等相比更易受到ESD损伤。由于蓝宝石衬底是纯绝缘体，生产期间加工器件时会累积大量的静电电荷。此外，外延层跟红光LED制造过程中使用的外延层相比，往往更易遭受ESD损伤，很可能就是因为制造过程带入瑕疵等效应引起的。
在CMOS器件中，制造期间发生的ESD操作可能在投入现场应用之前仍然还未被发现，使得应用现场可能会发生未预料到且成本高昂的故障。LED遭受ESD损伤的常见后果有如裸片表面出现暗点，这会导致LED光输出下降，并可能使LED灯泡没用多久就出现故障。LED制造期间的高ESD损伤率会损及量产良率，并实际导致良品的价格升高。由于HB-LED的长工作寿命是固态照明相对于传统照明的一项重要优势，HB-LED有效的ESD保护显然必不可少。
如果LED模块中不含适合的保护，客户工程师可能需要在电路板级应用分立保护，这在物料单(BOM)成本和印制电路板(PCB)空间等方面可能造成损失，而且板级ESD保护远不足以为LED裸片提供保护。在封装中集成有效的ESD保护是一种更合意的途径，受到了当今众多HB-LED制造大厂的青睐。ESD保护可以应用为LED发射器裸片旁边的额外裸片，或在更紧凑的布局中用作上面粘接LED发射器裸片的次级贴装(submount)或侧面贴装(sidemount)。
集成保护
图10 使用侧面贴装TVS二极管应用LED保护 业内出现了下面两种集成ESD配置。图10所示的侧面贴装配置将瞬态电压抑制器(TVS)二极管应用在与LED发射器裸片相同的封装内，二极管可以使用线绑定或倒装芯片技术来连接，因应具体应用要求而定。额定ESD等级因裸片尺寸不同而不同，通常介于8 kV至15 kV人体模型(HBM)之间。 
图11采用硅次级贴装提供的ESD保护 图11显示了如何在LED和引线框之间应用硅次级贴装来更紧密地集成ESD保护。这种构造使LED外形尺寸更紧凑；次级贴装替代侧面贴装LED模块中使用的传统衬底，提供的ESD保护等级超过15 kV HBM。硅次级贴装的良好热传导性也帮助LED缓解由于LED与引线框热膨胀系数不同导致的应力。
这两种途径都符合多种顶部及背部镀金工艺以适应大多数制造要求，如带顶层铝涂层(AuAl, CuAl)选择、提供更高反射率的金或铜工艺，以及金或金锡(AuSn)背金工艺选择。
保护性能
集成ESD保护二极管阵列的最关键参数包括低动态电阻(Rdyn)和低输入电容(Cin)，这样ESD保护器件就能够快速地响应ESD尖峰，并耗散大多数电流，从而避免LED裸片损伤。安森美半导体的ESD保护技术产品在次级贴装保护器中提供仅在0.2至0.4Ω等级的极低动态阻抗。安森美半导体的次级贴装保护器件本质上比竞争产品提供更佳的动态电阻，这在ESD等瞬态事件期间转化为更低及更好的钳位电压，LED或LED串相应地受到更高水平的保护。此外，次级贴装保护器也提供浪涌保护，这在LED暴露于电源浪涌或雷电尖峰的应用中非常重要。
大多数固态灯模块都包括串联连接的共用封装HB-LED裸片。在白光LED(WLED)光源中，通常就采用这种方法来提供高总光输出。用于背光应用或营造特殊效果的灯中，LED阵列可能包含红光、蓝光和绿光裸片，支持混色，微调LED发射出的色彩。由于每个LED都有3.5 V左右的有限正向压降，包含大量LED的模块可能要求施加高直流电压。安森美半导体的侧面贴装和次级贴装ESD保护制造工艺可以调节用于6V至110V之间的击穿电压，故适用于具有任意可行长度的LED串。顶金和底金工艺提供不同的组合和成分；侧面贴装和次级贴装也具备不同的封装选择，从倒装芯片到顶部和底部(topand bottom)等，不一而足。
不论是哪种类型的贴装，都适用多种选择和配置：在LED串两端并联连接一个TVS二极管提供规定的ESD保护等级(见图12a)，而在LED串两端串联相向连接的二极管对(图12b)使灯制造商能够在生产期间施加反向偏置测试，识别出并隔离次品模块，从而防止流向客户。更复杂的二极管阵列为包含多颗LED的LED串中的每个LED提供并联连接的相向二极管对，即使其中有个别LED发生开路故障，也能使灯模块能够持续工作。 
图12 (a)、(b)不同ESD的保护配置 总结
HB-LED除了高能效和小尺寸，其预计长寿命周期被证实是固态照明巨大成功的重要诱因。多种色彩的HB-LED，特别是白光以及绿、蓝和红光的HB-LED，为设计人员开通了康庄大道，更好的发展高能效背光灯、街灯、内部照明、任务灯、电子标志和汽车刹车灯及头灯等应用。由于不同制造商的HB-LED规格可能有很大不同，全面理解HB-LED采用的ESD保护途径为提供最优的现场使用寿命带来很大好处。每个原设备制造商(OEM)在封装、工艺技术和材料成分方面都有一套特定的标准，故应当加以考虑。因此，为了获得所需的优化性能参数，设计人员需要深入合作的供应商不应局限于提供少数不同LED保护方案，而是可以提供宽广选择范围、支持作出最佳匹配的供应商。
四、元器件为LED照明护航
CBS25V1P50A1W是专为驱动LED路灯而设计的高效率、超长使用寿命的LED恒流驱动器模块。输出电流高达1.5A，且输出电流可以在 0~1.5A范围内任意指定，效率超过90%，不仅省电还可降低模块自热引起的温升，宽泛的输入输出电压范围，具有内置过留保护功能，确保的系统的安全可靠。应用领域：路灯、隧道灯、信号灯、安全灯；手电筒、车灯、航标灯；照明灯、庭院灯、草坪灯。
相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。本文针对铝电解电容对LED驱动电路的影响提出了相关的分析。
长寿命LED驱动电路专用电解电容器应用特性分析
LED是一种寿命极长的电光源，使用寿命可以达到10万小时（约140个月，或者说连续使用11年半！），一般的荧光灯的寿命一般应用不会超过1万小时。LED的另一个特点是光效高，实用化的大功率LED的光效已经超过T8荧光灯管。实际的LED灯的实际寿命并不高。在实际应用中，LED灯的实际使用寿命并不高，甚至有的不到一年就损坏了。 是什么原因造成 LED等的过早损坏？原因在于LED驱动电路的可靠性不高，驱动性能不好。抛开驱动性能不好的因素，LED灯寿命短的根本原因就是驱动电路中的电子原件寿命远远低于LED的寿命。是哪个元件的寿命最短？电解电容器！电解电容器的寿命 在LED驱动电路中，特别是交流市电驱动LED灯时，LED驱动电路必须要有输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。输入整流滤波电路需要相对和大的电容量才能将整流输出电压平滑到允许范围。输出整流滤波电路也需要足够的电容量来维持电路的稳定性和输出电流的平滑。
最经济的大电容量电容器唯电解电容器是最佳选择。电解电容器最大的优点是经济性好，而最大的弱点是寿命短。 10年前的铝电解电容器一般为105℃/200小时。这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天！即使降低到85℃，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年！继续降低到75℃，寿命也不会超过两年。 相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。解决问题的方法无电解电容器的LED驱动技术
如果用十年前的铝解电容器技术的观点看，铝电解电容器是无法胜任LED等寿命的。解决方法一般为无铝电解电容器技术，这就是前些年风行的五铝电解电容器LED驱动技术的根本原因。但是不能不是的问题是，采用无铝电解电容器的后果是LED驱动电路的性能下降，间接的导致LED寿命的严重不足。无电解电容器方案存在的问题
首先，无电解电容器方案使得市电整流输出电压纹波加大，如果不加以处理就会导致LED输出电压纹波的增加。如果LED工作在满功率状态，就可能出现市电频率下的周期性过电流（或过功率） 大功率LED工作电流在0.7A时对应的正向电压约为3.4V，如果LED端电压波动0.2V，流过 LED的电流将超过0.95A，对于0.7A的大功率LED，这绝对是一个过功率。最终结果会导致寿命的缩短。
如果工作电流选择最大额定电流的一半时，尽管不会出现过功率，但是会引起损耗的加大，而且会产生比较大的LED电流变化，会导致如50Hz电感镇流器驱动荧光灯那样的闪烁，甚至会更严重。市电整流滤波电容器的问题
无铝电解电容器 LED驱动始终避免不了的问题是：平滑电源侧整流输出电压需要足够的电容量，而采用薄膜电容器会明显增加成本，增加体积，不得已而选择低电容量，这又会输得整流输出电压纹波电压变大，特别是像PI的产品，当电容量低于1μF/W就会在变换器输出产生比较高幅值的纹波电压，会使得LED闪烁。 输除整流滤波电容器的电容量选择过低可能会产生反激式变换器的自激，因此不希望输出整流滤波电容器过低的电容量，但是非铝电解电容器的价格又太高。输出整流滤波电容量对LED驱动的影响
如果LED驱动电路是反激式变换器，为了实现稳定，需要足够的电容量。如果电容量不够会引起电路的寄生振荡，使得LED严重闪烁。控制IC电源旁路电容器的影响
控制IC电源旁路电容器不仅需要足够的电容量，还要具有良好的电源旁路性能，如果电容量过小就会引起控制IC电源电压的波动，从而引起输出电压的波动，导致LED的闪烁。一、改进电解电容器的性能和寿命是解决LED驱动寿命的最简捷、最经济的方法 从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与 LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。低压电解电容器是问题的关键 相对而言低压电解电容器获得105℃/1万小时的寿命要比105℃/1万小时寿命的高压电解电容器难得多。最主要的原因是低压电解电容器需要极低的ESR，而极低的ESR需要大幅度提高电解液的导电率，而大幅度提高电解液电导率的最简单的办法就是提高电解液的含水量。所带来的问题就是“水合”反应的过早出现而导致电解电容器的早期失效。（电容的等效串联电阻(ESR)性质分析 ESR，是EquivalentSeriesResistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串连电阻”。
理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串连在一起，所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。
ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。
比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源啦一类的，都使用低ESR的电容器。
同样的，在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。
所以在多数场合，低ESR的电容，往往比高ESR的有更好的表现。
不过事情也有例外，有些时候，这个ESR也被用来做一些有用的事情。 比如在稳压电路中，有一定ESR的电容，在负载发生瞬变的时候，会立即产生波动而引发反馈电路动作，这个快速的响应，以牺牲一定的瞬态性能为代价，获取了后续的快速调整能力，尤其是功率管的响应速度比较慢，并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用MOS管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候，太低的ESR反而会降低整体性能。
ESR是等效“串连”电阻，意味着，将两个电容串连，会增大这个数值，而并联则会减少之。
实际上，需要更低ESR的场合更多，而低ESR的大容量电容价格相对昂贵，所以很多开关电源采取的并联的策略，用多个ESR相对高的铝电解并联，形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间，换来器件成本的减少，很多时候都是划算的。
和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL，而且容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL也会引发一些电路故障，比如串连谐振等。但是相对容量来说，ESL的比例太小，出现问题的几率很小，再加上电容制作工艺的进步，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。
顺便，电容也存在一个和电感类似的品质系数Q，这个系数反比于ESR，并且和频率相关，也比较少使用。
由ESR引发的电路故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是，在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响，通常的，钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。）
国外超长寿命铝电解电容器的水平 在LED驱动工程师研究无铝电解电容器LED驱动技术的同时。随着铝电解电容器材料和制造技术的提高，铝电解电容器制造商在努力克服铝电解电容器寿命的问题。铝电解电容器在105℃温度下率先突破1万小时的铝电解电容器制造商是RUBYCON。 最难突破的难点是低压铝电解电容器，原因是低压铝电解电容器需要很低甚至极低的ESR，而要想获得极低的ESR，通常的技术就是提高电解液的含水量，所带来的问题就是因“水合”反应而导致铝电解电容器的早期失效，违背了超长寿命的技术要求。RUBYCON对这个问题非常重视，在不断的探索后推出了比较低含水率电解液的105℃/1万小时寿命的低压铝电解电容器。国外及超长寿命铝电解电容器的水平 105℃万小时级的低压铝电解电容器有RUBYCON的ZLH系列，这是一款高含水率的铝电解电容器，需要控制、抑制“水合反应”难度很大，因此现在RUBYCON建议采用相对低一些含水量的XYJ系列替代ZLH系列。我国高压铝电解电容器现状 经过多年的节能灯用高压铝电解电容器应用实践和改进，国内高压铝电解电容器的寿命已经得到和大提高，很多铝电解电容器制造商已经可以制造出105℃/10000小时产品，可以满足3 万小时以下的LED应用状态的驱动电路寿命。或者是分离式LED驱动电路的应用中基本满足LED寿命要求。但是，尚不能满足5万小时寿命的LED状态的驱动电路的需求。尽管如此，高压铝电解电容器还是迈出通向满足LED应用要求的第一步。国内已经有铝电解电容器制造商推出5万小时LED寿命的高压铝电解电容器。低压铝电解电容器的现状 LED驱动应用中的低压铝电解电容器要求具有尽可能低的ESR、超长寿命、超长时间的电容量稳定性。目前国内大多数铝电解电容器制造商（包括我国台湾地区的铝电解电容器制造商）多数为105℃/5000~6000小时，对应LED应用状态，大约为1~2万小时，这个小时数远不能满足 LED驱动要求。高压电解电容器与低压电解电容器寿命差异所产生的冲突 在LED驱动电路中，决定寿命的是寿命最短的元器件。因而即使高压铝电解电容器的寿命问题得到解决，而低压铝电解电容器寿命得不到解决，最终LED驱动电路的寿命还是短的。所以105℃/1万小时低压铝电解电容器成为LED驱动电路中的关键。那么，为什么低压铝电解电容器的长寿命就那么难？
低压铝电解电容器存在的问题 低压铝电解电容器存在的最大问题就是因“水合”反应导致早期失效。最闻名的低压铝电解电容器因“水合”反应的事件有： ① 戴尔电脑主板铝电解电容器“爆浆”，戴尔赔偿客户3亿美元，而铝电解电容器制造商赔偿戴尔20亿美元！这款铝电解电容器是日本著名电容器制造商的产品。
② 三星视频终端在英国世界杯的铝电解电容器“爆浆”，电容器制造商最终被三星电子从采购目录中删除。这是我国某著名铝电解电容器制造商的产品；该产品还导致了一些不大不小的因“水合”反应导致的铝电解电容器早期失效。造成用户严重的经济损失—被索赔。水合反应的后果 水合反应会在铝电解电容器的负极箔表面形成电阻率非常高的铝水合物。随着铝水合物的增长负极箔的电阻越来越大，在纹波电流作用下电解电容器的发热就会更加剧烈，最终导致铝电解电容器爆浆。如果是多个电容器并联使用，会出现首先第一个爆浆，不久就是第二个、第三个… 
图13 由于水合反应导致的铝电解电容的爆浆 水合反应堆解电容器爆浆的特点 ESR数千倍的增加、电容量丧失殆尽、负极箔比容急剧降低、在显微镜下看会发现负极箔的“孔”基本被堵塞。将电解电容器拆解会看到至少是负极箔与电容器纸相粘连，甚至整个正负极箔与电容器纸相粘连。有些电解电容器制造商回复客户时也说上述问题，但是说是客户使用温度高造成，不承认是电容器的品质问题。
图14 负极箔与电容器纸相连 负极箔比容下降：材料分析：取解剖的正负铝箔，测试铝箔耐压值。1000μF/16V：正箔耐压下降为19.32V(SPEC≥22.0V)，比容为 52.49μF/cm2（49.82≤SPEC≤59.36μF/cm2）；负箔耐压正常为1.74V(SPEC≥1.5V)，比容下降为250 μF/cm2（SPEC≥340 μF/cm2）。 
图15 没有水合反应滤波可以与电容器纸相连 由于用户没有办法将水合反应的早期失效作为电解电容器早期失效的证据向电解电容器制造商索赔。只有通过第三方测试电解电容器存在早期失效问题才能作为电解电容器早期失效证据向电解电容器制造商索赔。如何鉴别早期失效？ 将可疑的电容器置于额定温度、额定电压、额定纹波电流条件下测试，如果没有达到厂商规定的寿命小时数（通常差距很大）就可以判定是早期失效。需要注意的是电解电容器的出厂批号一定和出问题是同一批次。常有电解电容器制造商在不同的批次用不同的电解液来改善水合反应问题。
“水合”反应是影响低压铝电解电容器寿命的最大障碍 为什么低压铝电解电容器会出现“水合”反应？这是由于低压铝电解电容器应用的特殊性：
主要应用领域：开关电源输出整流滤波，电脑主板电源旁路，LED驱动电路的输出整流滤波。 电脑主板、开关电源、LED驱动对低压铝电解电容器的特性要求： 尽可能低的ESR，由于电解液电导率的限制，常规低压铝电解电容器的ESR不可能做得极低。为了 实现极低的ESR，最简单的办法就是提高电解液的含水率，含水率越高越有可能导致“水合”反应的早期失效，大家电容器制造商绞尽脑汁抑制高含水率电解液电解电容器的“水合”反应，这也是低压铝电解电容器技术壁垒之一。 不仅如此，制造高含水率电解电容器时需要极其严格的控制整个制造过程，稍有不慎，就会导致产品的“水合”反应的早期失效。甚至最早掌握抗“水合”反应的日本电解电容器制造商也很回避高含水率电解电容器。通常使用较低含水率的新款替代高含水率的电解电容器。采用新技术来实现真正的超长寿命低压铝电解电容器 低压电解电容器要想实现105℃温度条件下万小时级，从产品质量控制和产品一致性角度考虑，应避开高含水率电解液。转而采用其它高新技术。 主要有高品质的较低含水率的电解液、新型腐蚀箔结构及其相关技术；严格的生产质量管理，如生产环境的洁净度、避免氯离子进入生产环节（如生产操作者呼吸排出的氯离子等）、如何避免水分进入电解电容器的芯子等 通过上述新技术、新材料和先进的生产管理措施的实施，采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器完全可以获得105℃/1万小时的寿命。如RUBYCON的YXJ系列和我国的LKF系列。我国生产的LKF系列性能参数与RUBYCON的YXJ系列参数除体积稍大外，其他参数是一样的，甚至某些参数还超过RUBYCON的YXJ系列的参数。完全可以替代RUBYCON的YXJ系列。 相对于高含水量电解液的低压铝电解电容器，新型较低含水量的低压铝电解电容器的性能差一仅仅在于ESR稍大。例如同样是470μF/25V规格，RUBYCON的ZLH系列高含水率铝电解电容器的ESR仅为39mΩ，而较低含水率的YXJ系列低压铝电解电容器的ESR为80mΩ。对于 470μF/25V规格的80mΩESR在应用上是没有问题的，没有必要非用39mΩ。问题的解决 通过采用较低含水率电解液的低压铝电解电容器解决了低压、低阻铝电解电容器因 “水合”反应所导致的早期失效问题。彻底避开因抗“水合”反应技术与工艺导致的产品价格的提高；确保了产品的一致性和稳定性。在超长寿命的低压铝电解电容器系列中。较低含水率低压铝电解电容器的价格要低于高含水率低压铝电解电容器。 
图16 LED驱动电路中的铝电解电容器的位置 电解电容器的特点 电解电容器是各类电解电容器中最便宜的，因此常应用于需要足够电容量的单相整流滤波和DC/DC变换器或AC/DC变换器输出滤波电容器。 LED驱动电路实际上是开关电源的特例，也就是需要限压恒流的开关电源。由于LED照明需要散热器，因此LED驱动电路往往需要做成隔离型变换器。对于小功率LED驱动电路，为了降低成本，往往做成反激式开关电源。 如果将驱动电路与LED做在一体，驱动电路将工作在高温状态，需要各元件能够承受高温。LED寿命很长，可达数万小时，驱动电路也应满足这个要求，影响LED驱动电路的关键元件是电解电容器。相对节能灯电容器，体积要小。小体积需要具有更高品质的铝箔、电解液，体现了铝电解电容器制造核心技术的提升。
三、LED驱动电路需要的电容器的特性LED驱动电路中需要电解电容器的地方为：① 输入整流滤波
② 输出整流滤波
③ 控制IC电源旁路3.1 输入整流滤波输入整流滤波电容器的作用：① 平滑输入整流电压
② 吸收来自整流电路产生的纹波电流
③ 吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流① 平滑输入电压
将输入整流滤波电压平滑到平均值的20%（交流176V整流后为200V，40V的纹波电压峰-峰值）需要1μF/W的电容量，如此大的电容量在低成本要求下只有电解电容器能满足要求。② 吸收自整流电路产生的纹波电流
在滤波电容器的电容量选择1μF/W时，对应的滤波角频率为15.2弧度/秒。在整流滤波电容器的特性曲线上可以得到：流过电容器的电流几乎为整流输出平均值电流的约3倍！是交流输入电流有效值的约1.5倍。或者以输出功率计算约为7mA/W。考虑效率等综合因素，可以近似为10mA/W也可以近似理解为每位法电容量需要约10mA的工频纹波电流。除此之外，输入整流滤波电容器还要吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流③ 吸收来自LED驱动电路产生的纹波电流
一般小功率LED驱动电路多采用反激式变换器电路拓扑，并且在220V电压等级时为电流断续型。在这种状态下，反激式变换器向整流输出索取的电流是断续的锯齿波，其交流成分需要有滤波电容起吸收，按占空比为0.4计算。每输出 1W功率需要10mA有效值电流。综合考虑，每μF需要约15mA 有效值电流。3.1输出整流滤波 反激式变换器的输出整流滤波电容器也将流过比较大的电流。从稳定性角度考虑，也需要比较大的电容量。 这就要求输出整流滤波电容器不仅需要比较大的电容量，还要具有比较大的纹波电流承受能力。对输出整流滤波电容器的要求足够的电容量电容量过低会导致反激式变换器变得不稳定。很显然电解电容器是最佳的选择； 足够的纹波电流承受能力，要求电容器具有极低的ESR。如果采用电解电容器就需要选用极低ESR电解电容器。输出滤波电容器流过的电流 正常设计出来的反激式变换器，输出整流二极管导通的占空比约为0.5，对应的滤波电容器流过的电流为输出电流平均值的120%。就是说输出1A平均值电流，滤波电容器就要流过1.2A的有效值电流。 
6.8μF/400V高压电解电容器寿命试验数据 
结论 国产6.8μF/400V /φ10*17 LKG电解电容器与Rubycon：6.8/400 10*16 BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105℃/1万小时。 国产470μF/25V/φ10*17mm的LKG电解电容器与Rubycon：470μF/25V/φ10*16mm 的BXA的寿命测试基本一致，寿命均达到105℃/1万小时。除尺寸稍大一点点外，国产长寿命电解电容器可以用于长寿命LED驱动电路中。基于多年的技术和研发的基础，国产铝电解电容器制造商已经推出与RUBYCON体积相同、性能相同的替代产品。RUBYCON电解电容器的发展 RUBYCON的 ZLH系列低压电解电容器的ESR极低，是高水系电解电容器，需要非常好的抗水合反应制造技术，当然其价格也会比较高。因此RUBYCON新推出YXJ系列低ESR电解电容器，是非高水系电解电容器，这样可以避免高水系电解液带来的水合反应控制的难度，同时也降低成本。然而所带来的问题就是ESR要比 ZLH系列高近一倍，而且与国产LKF、LKG系列的水平基本一致。 RUBYCON的高压BXA系列由于含水量高，建议使用BXC系列。但是BXC系列的损耗因数将略大于BXA系列。这就是长寿命电解电容器的可靠性与高性能之间的折中结果。同时低压的YXJ也是ZLH的替代产品，这些都体现了高含水率逐渐被新工艺材料、新制造技术的常规含水铝电解电容器所替代。 这对于我国电解电容器制造商来说是个机遇，应该抓住这个机遇，发展出我国的长寿命LED驱动电路驱动用电解电容器。
【文章出自我爱方案网】