在過去大約150年的時間里，照明行業已經發展成為一個基於標準化燈泡的大規模生產行業，燈泡的設計具有內在的過時性。消費者發現自己經常要用相同的新產品來更換短壽命的在用產品。這種趨勢與一小部分大型製造商密不可分，它們通過以低成本製造數以億計的同一種產品來滿足市場需要。

隨著照明行業向LED技術的轉型，這種商業模式是否還能繼續維持其最大利益？而且它是否能利用固態照明的基本優勢？

顯然，LED在能效和工作壽命方面具有非常顯著的優勢。LED燈泡只需要消耗三分之一的電量，就能提供與傳統的白熾燈和熒光燈幾乎相同的發光量。與基於更成熟技術的產品相比，LED燈泡的使用壽命還有望高出20多倍。而且，LED燈泡中的固態元件較相對脆弱的傳統照明技術而言，可提供更好的機械損傷保護。總之，這些特性可為LED照明產品用戶提供極具吸引力的投資回報(ROI)，特別是對於維護和燈泡更換比較困難和/或昂貴的商業和工業應用。
 
可能與該項技術的更長工作壽命同樣重要的是，更高的效率和更穩固的設計是LED所具有的架構靈活性。例如，照明設計師可以選擇利用LED燈的點光源，使其圍繞某個形狀進行分佈，而不是將光源集中在一起，使用漫射器和遮罩將其分佈到需要的地方。這些特性可賦予照明設計師無限的設計自由，以創新的方式設計光源。產品開發人員可將LED照明產品製作成任意形狀，或將照明燈具嵌入建築材料、牆壁或傢具內。他們可以更準確的定向光源，或者更容易控制其強度或顏色，從而營造出動態的照明環境。有些製造商已經開發出窗戶原型，它們在白天是透明的，通過巧妙地使用LED和不同折射率的材料，它們會在夜晚發光。
 
照明電器
通過利用LED更長工作壽命的優勢以及能夠形成各種創新形狀和尺寸的技術，設計師可以將照明行業從大規模生產業務轉變為大規模定製業務。這種新行業不是建立在標準化的、需要頻繁更換的燈泡和燈具基礎之上，它將為產品開發人員提供廣泛的參考設計選擇方案，此類設計往往利用LED技術一種或多種特有的屬性。借助智能化的自動設計工具，製造商將能夠快速開發高度定製的照明方案，以滿足每個客戶的個性化需要。在這種照明不再是一次性用品、而是可持續使用十年以上的新型業務模式中，富有美感的光源可以嵌入商業或工業建築的牆壁中，或嵌入住宅傢具內，並且它們將作為電器進行銷售，可以在建築或住宅裝修改造前一直使用。
 
為實現此目標，設計師必須採取系統的設計方法。第一代LED照明系統所出現的過早故障已證明一點：任何LED照明產品的使用壽命都取決於工作壽命最短的單個元件。儘管通常的LED電路都能滿足能源之星SSL V 1.1 L70所規定的約45,000小時工作壽命的要求，但為該電路供電的普通兩級電源的使壽命周期僅為20,000小時左右。實際上，電源設計中的薄弱環節破壞了LED技術的長使用壽命優勢和高ROI。
 
消除故障點
為什麼要這樣做呢？如今的許多LED照明系統都使用典型的兩級電源，這種電源將用於提高功率因數的第一級升壓式轉換器與第二級高壓DC-DC轉換器結合在了一起。這些電源中最常見的故障點是用於在兩級之間進行大容量儲能的電解電容。由於需要在滿載下連續工作，並且通常放置於鎮流器的一次成型外殼或燈泡底座等密閉的狹小空間內，加上其中高發熱量的電源和高亮度LED，這些大容量電解電容必須要耐受嚴酷的高溫條件。而實際上，電容介質材料的性能會逐漸降低，器件會因失去電容容量而導致失效。儘管LED照明方案中的控制器和其他半導體的使用壽命可達到100,000小時以上，二極體、晶體管和陶瓷電容也具有同樣長的使用壽命，但目前照明行業中大多數兩級電源所採用的電解電容的使用壽命都僅有20,000小時左右。

鑒於LED技術存在一項明顯的弱點，以下熱管理問題顯得特別重要：雖然使用傳統技術的燈泡可以紅外線形式耗散過多的能量，但LED必須將過多的熱量傳遞到它們的散熱片。這些熱量很容易達到過高水平，尤其是在照明方案被壓縮到較小的燈泡底座時。對這些熱問題進行精心管理在LED設計中尤為重要，因為過高的環境溫度不僅會提高LED結溫，從而影響光輸出，而且還會縮短LED的工作壽命。
 
解決此問題的一種方法是，在開發LED照明方案時採用這樣的電源拓撲結構：可以同時消除隔離反激式設計中脆弱的電解電容和不可靠的光隔離器。新一代的單級功率LED驅動器可以通過消除這些潛在的故障點來滿足這種需要。通過將電解電容替換為具有高穩定性的陶瓷電容，這些電源的使用壽命可非常接近LED。此外，通過在90%以上的頻率下工作，同時超出能源之星的PF及THD要求，這些高度集成的轉換器可產生更少的熱量，並且在此過程中有助於簡化高度緊湊型照明設計的熱管理問題。

結論
很顯然，LED技術在靈活性、能效及使用壽命方面具有獨特的設計優勢，同時為照明製造商提供了徹底改變行業模式的良好機會。然而，為使這些優勢達到最大化，設計師必須將LED及其電源作為單個電器進行研究和設計。通過認真考量各個設計元件對熱量分佈的影響以及如何更好地控制環境條件，照明開發人員可以將其行業過渡到一個新的階段，讓LED解決方案成為樓宇及住宅建築中真正的有機組成部分。

作者：Doug Bailey，Power Integrations, Inc.