- 大小功率LED照明方案選擇指南
- 模擬、PWM和TRIAC調(diào)光方案
- 使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲
LED照明應用的主要設計挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：散熱、高效率、低成本、調(diào)光無閃爍、大范圍調(diào)光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰(zhàn)需要綜合運用適當?shù)碾娫聪到y(tǒng)拓撲架構、驅動電路拓撲結構和機械設計才能解決。
不管是大功率的還是小功率的LED照明應用，一般都由電源、LED驅動器、LED、透鏡和基板幾部分構成，其中關鍵的元件是LED驅動器，它必須提供一個恒流輸出才能保證LED發(fā)出的光不會忽明忽暗、以及不會發(fā)生LED色偏現(xiàn)象，它一般接受24V-48V的直流電壓輸入，但也有一些先進的LED驅動器可直接接受220V市電交流輸入。
Diodes公司亞太區(qū)技術市場總監(jiān)梁后權指出：“對設計師來說，最大的技術挑戰(zhàn)將是高效率要求、光學設計、熱管理和提高某些應用的可靠性，如高亮度LED街燈。我們現(xiàn)在提供的一系列LED照明解決方案覆蓋從0.1W到250W的應用。”
LED的相對高成本是LED照明市場目前仍難以大規(guī)模起飛的主要障礙。例如，英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer就說：“大多數(shù)小于25W的典型LED照明應用是標志燈、標識燈、以及替代標準的白熾燈和鹵素燈。但與現(xiàn)有的熒光燈和白熾燈技術相比，LED初始成本仍然是進入大眾市場的一個主要障礙。”
“在LED照明系統(tǒng)的應用中，除了選擇合適的LED產(chǎn)品，一個完整的LED照明設計還要包括光學設計、熱設計、產(chǎn)品設計和電氣驅動設計。由于LED是低壓器件，因此將高壓交流供電轉換為LED使用的低壓恒流驅動將面臨許多挑戰(zhàn)。”安森美半導體中國區(qū)高級應用經(jīng)理鄭宗前指出：“進一步說，為了保證LED照明的優(yōu)勢，LED電氣驅動必須是可靠的、高效率的、安全的和低成本的。因此，針對不同的LED照明的應用，首先需要選擇正確的驅動電路拓撲結構。”安森美半導體現(xiàn)可以提供從1W到500W功率范圍內(nèi)的全部LED照明解決方案。
為了快速推動LED照明市場的起飛，美國國家半導體公司(NSC)最近瞄準了一塊非常龐大的白熾燈直接替代市場，即用LED燈直接替代現(xiàn)有家庭或其他應用市場中的白熾燈，并推出了一款針對該市場的直接市電輸入LED驅動芯片LM3445。
Cytech產(chǎn)品及設計部工程師徐瑞包也認同主要商業(yè)化挑戰(zhàn)是成本。他說：“目前各種功率的LED照明系統(tǒng)在電路上都是可以實現(xiàn)的，技術挑戰(zhàn)來自于終端應用的要求，比如應用于汽車，要考慮到光學設計以及整體散熱設計等。商業(yè)化部署的挑戰(zhàn)則主要來自于LED成本。”
LED照明設計的散熱考慮
25W以下的LED照明系統(tǒng)一般設計用于像閱讀臺燈、走廊燈、客廳射燈、家用餐燈、小夜燈等應用，客戶一般希望這類應用設計得越小巧越好，因此其PCB能安放的設計空間相對來說比較小，因此長時間使用時封裝空間內(nèi)的溫度有可能會很高。由于設計師不太可能在其內(nèi)安裝一個散熱風扇，因此它的散熱設計就變得非常關鍵和重要。
“大多數(shù)小于25W的低功率LED照明應用要求一定程度的小型化。這常常導致更高的功率密度，盡管功耗不是很大。足夠的散熱管理措施必須通過改進的機械結構提供。此外，高電氣效率有助于降低功耗。”Alexander Sommer指出，“如果需要進一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到，因為它可以實現(xiàn)最高效率的熱傳遞。這些方法也允許實現(xiàn)優(yōu)化的流明輸出。”
另一種防止LED長時間工作過熱問題的思路是采用調(diào)光解決方案。飛兆半導體公司高壓IC產(chǎn)品行銷經(jīng)理SangCheol Her表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調(diào)光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調(diào)光控制器來實現(xiàn)。尤其是對于小于25W的LED驅動解決方案，由于PCB尺寸小，而封裝空間有限，散熱問題無可避免，所以該方案更顯重要。”
事實上，在這個功率范圍內(nèi)，LED照明燈將會取代鹵素燈和緊湊型熒光燈(CFL)。此外，先進的技術為了擺脫散熱問題，必須去掉對溫度變化敏感的無源組件如電解電容。然而，目前大多數(shù)LED驅動器解決方案都源于電源拓撲并以此為基礎，故應該考慮到溫度范圍的限制，因為一般產(chǎn)品通?；谏虡I(yè)標準，但照明燈卻必須確保能夠適應嚴苛的環(huán)境如工業(yè)環(huán)境。
不過，NSC亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理吳志民表示：“白熾燈電燈已面世很多年，對于許多多年未改的技術標準，我們的家居照明系統(tǒng)一直也在沿用許多多年未改的技術標準，這個情況并非一朝一夕可以改變過來。例如，基于散熱及照明角度等問題，原有的舊式電燈插座或裝置并不適宜用來安裝LED燈泡。但除了技術問題之外，成本效益也亦是使LED燈無法普及的最大原因。鎢絲燈泡及霓虹光管的售價約為US$0.6-0.7/Klm，但目前LED燈的售價仍然高達US$40-50/Klm。”
正如以上所說，由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內(nèi)，因此散熱是一個必須克服的大問題。但嚴格來說，這可以利用機械工程技術解決的問題，LED系統(tǒng)生產(chǎn)商的責任是努力開發(fā)新技術，盡量提高LED的亮度(即每單位功率產(chǎn)生的流明量)。吳志民自信地說：“我們可以提供功效效率最高的LED驅動器，以確保可將整個燈光系統(tǒng)的散熱量減至最少。
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LED照明設計的架構選擇
LED照明系統(tǒng)架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說，小于25W的LED照明系統(tǒng)不要求進行功率校正，因此可以采取簡單一些的拓撲架構，如PSR或Buck拓撲。25W-100W的LED照明應用要求進行功率校正，因此一般采用單級PFC、準諧振(QR)PWM或反激式拓撲。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和雙級PFC。
“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓撲，因為這一功率范圍主要針對小型設計，強調(diào)設計的簡單性。中等功率解決方案(25W-100W)適合于單級PFC、準諧振(QR)PWM、反激式拓撲。”SangCheol Her說，“大功率解決方案(大于100W)則適合采用LLC、QR PWM、反激式拓撲設計。從效率角度來看，LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級反饋，設計簡單，尺寸也比其它方案小。”
鄭宗前也表示：“小于25 W的LED燈具主要應用在室內(nèi)照明，它們主要采用低成本的反激拓撲結構。安森美半導體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內(nèi)置高壓MOSFET 和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積，提供最大25W的功率輸出(230V AC輸入)。”
“對于非隔離型小于25W LED照明應用，如果輸入到輸出轉換比低，那么簡單的降壓轉換器可以是一個低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓撲架構中，使用像英飛凌CoolSET ICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個很好的選擇。”Alexander Sommer說。英飛凌是第一家提供數(shù)字準諧振反激控制IC的供應商。
25W-100W功率范圍的典型LED照明應用是街道照明(小區(qū)道路)和像停車場這樣的公共場所。功率轉換效率、PFC功能的高性價比實現(xiàn)和高顏色品質(zhì)現(xiàn)在是最重要的三大技術挑戰(zhàn)。例如，在商業(yè)照明和街道照明應用中，更長得使用壽命和由此產(chǎn)生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進入障礙。25W到100W的LED照明應用有功率因數(shù)的要求，因此需要增加功率因數(shù)校正電路。
“這種電路可以采用傳統(tǒng)的兩段式結構，即有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正(PFC)電路加DC-DC PWM變換電路，如安森美的功率因數(shù)校正控制器NCP1607，NCP1607的外圍電路非常簡單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示，“對于高效率、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路，它可以同時實現(xiàn)功率因數(shù)和隔離的低壓直流輸出，并具有顯著的成本優(yōu)勢，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導體的NCP1652 為實現(xiàn)單級的PFC電路提供了最優(yōu)的控制方案。
深圳世強電訊則采用Silicon Labs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現(xiàn)PFC。該公司助理市場經(jīng)理黃孫峰說：“我們針對家用市電(180V-260V)輸入10W-30W小功率LED照明應用開發(fā)出的全數(shù)字化LED照明方案，可用軟件控制方式實現(xiàn)高達0.95的PFC值。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標的前提下，還具有更高的靈活性、適應性及可升級性。”該方案采用的LED驅動器MIC3230的最大輸出電流為350mA，最多可驅動12顆1W的LED，能夠很好地滿足室內(nèi)照明的需求。
Alexander Sommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負載范圍內(nèi)(如調(diào)光)具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應用，建議采用帶一個獨立PFC級的準諧振反激式拓撲結構。典型地可實現(xiàn)高達90%的效率。”
100W以上應用包括主要道路和高速公路照明(這里需要高達20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入)和專業(yè)應用，如舞臺燈光照明和建筑泛光燈照明。在高功率應用中使用LED的一個關鍵驅動力是可靠性和低功耗帶來的低擁有成本。例如，其系統(tǒng)效率可與金屬鹵化物和低壓鈉燈相比。初始成本比較可能在短期內(nèi)繼續(xù)是該市場進入門檻。
鄭宗前指出：“對于大于100W的LED應用，我們將采用傳統(tǒng)的有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正電路和半橋諧振DC-DC 轉換電路。我們推出了一種新型的集成控制器，它集成了有源非連續(xù)模式功率因數(shù)控制器和具有高壓驅動的半橋諧振控制器。”
該半橋諧振控制器工作在固定的開關頻率和固定的占空比，并且該電路不需要輸出側的反饋控制回路。這使得半橋諧振DC-DC 變換電路工作在效率最高的ZVS和ZCS狀態(tài)。直流輸出電壓將跟隨功率因數(shù)校正電路的輸出。
Alexander Sommer強調(diào)：“對于100W以上的更高功率級LED照明應用，效率變得更加重要，建議使用LLC諧振拓撲結構，它可以實現(xiàn)90%以上的效率。我們建議你使用英飛凌新的8引腳器件ICE1HS01。”
不管LED照明系統(tǒng)的輸出功率有多大，LED驅動器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅動LED所需的電流。這導致了多種不同的可行LED驅動器拓撲結構，如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型。
凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong指出：“每種拓撲結構都有其優(yōu)點和缺點，其中，標準降壓型轉換器是最簡單和最容易實現(xiàn)的方案，升壓型和降壓-升壓型轉換器次之，而SEPIC型轉換器則最難實現(xiàn)，這是因為它采用了復雜的磁性設計原理，而且需要設計者擁有高超的開關模式電源設計專長。”
總而言之，終端產(chǎn)品的應用決定LED的拓撲結構，然后再根據(jù)LED的拓撲結構和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC、或Buck-Boost結構。“一般來說，25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結構。效率的話兩者一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高達97%的效率?？紤]驅動部分BOM成本的時候更應該考慮整體系統(tǒng)成本。”徐瑞包說，“隨著競爭的加劇，時時會有更低BOM成本的方案，但不一定是最合適的。我們不建議按照這個標準設計產(chǎn)品。PCB面積主要受主要元件的控制，小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術集成度高的產(chǎn)品，外圍電路簡單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”
梁后權也指出：“為了達到高效率要求，應當考慮采用開關模式LED驅動器，大多數(shù)這類客戶更喜歡選擇降壓LED驅動器，因為總的效率更高一些。如果從最低BOM成本角度來考慮，開關型LED轉換器不是最便宜的。此類客戶可能會試圖采用線性恒流LED驅動器。這可以提供最低的BOM成本，但效率可能就不會像開關模式LED驅動器那樣高。如從最小PCB板面積的角度考慮，通常將選用開關模式轉換器，因為它們產(chǎn)生更少的熱量，甚至相關的元器件體積也將會更小。”
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模擬、PWM和TRIAC調(diào)光方案
LED調(diào)光解決方案及規(guī)范一直在不斷變化，直到現(xiàn)在還未固定下來，所以現(xiàn)在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調(diào)光方案。PWM和模擬方法是其中較簡單的，但需要構建調(diào)光基礎架構和新的調(diào)光控制器。
模擬調(diào)光方案的缺點是，LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調(diào)光范圍)。由于LED的色譜與電流有關，因此這種方法并不適合于某些應用。
PWM調(diào)光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100MHz)在零電流和最大LED電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而可實現(xiàn)高達 3000:1的調(diào)光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值，要么被關斷，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發(fā)生LED色偏的優(yōu)點，而在采用模擬調(diào)光時這種 LED 色偏現(xiàn)象是很常見的。
SangCheol Her則看好TRIAC調(diào)光方案的市場前景，他表示：“可控硅(TRIAC，2線調(diào)光)將成為非常流行的解決方案，因為這種技術可以完全使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)而不需任何改變。而且，它還能夠擴展為3線調(diào)光，以避免出現(xiàn)與低功率因數(shù)值相關的缺陷。”
TRIAC調(diào)光今天是業(yè)內(nèi)非常熱的一個話題，最初，TRIAC調(diào)光器是為白熾燈而設計的，但大多數(shù)用戶希望相同的TRIAC調(diào)光器也能對替代的LED燈進行調(diào)光。梁后權表示：“Diodes Zetex目前可為客戶提供全部的調(diào)光解決方案(包括PWM、模擬和TRIAC)。例如，ZXLD1362 LED驅動器用一個ADJ引腳來實現(xiàn)模擬和PWM調(diào)光，這就為客戶帶來了很大的設計靈活性。”
不過，鄭宗前認為，市場上TRIAC調(diào)光器的應用方案應該只是過渡性的，長遠來說，應該會用PWM調(diào)光。他說：“主要的三點決定性因素為：1)用PWM 調(diào)光從零到最光，都不會有閃爍的現(xiàn)象。2)性能會更好。因為調(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路，這是配合全球對燈光采用功率因數(shù)有強制性的要求，雖然一般從25 W開始有這要求，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復雜性。因此，采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇，也是未來的趨勢。3)成本會更好。用PWM調(diào)整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。”
Alexander Sommer也看好PWM調(diào)光方案前景，他說：“與模擬調(diào)光方法相比，LED的PWM調(diào)光方法有以下優(yōu)點：1)效率更高;2)不管調(diào)光程度有多大，允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組;3)在整個調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致(顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。”
徐瑞包也坦率地說：“個人覺得，調(diào)制方式的選擇不應該決定于LED的功率。而應決定于終端產(chǎn)品的應用要求。比如，顯示背光或者LED裝飾燈可能會選用PWM的調(diào)光方式，顏色一致性好，亮度級別高。但是對于一般的家用照明或者商業(yè)照明，模擬調(diào)光或者TRIAC也可以選擇，不過會產(chǎn)生色偏，并且調(diào)光的級別會很低。”
梁后權也表示：“為了在連續(xù)調(diào)光時實現(xiàn)無閃爍，大多數(shù)客戶喜歡選擇PWM調(diào)光，因為它可提供更大的調(diào)光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調(diào)光頻率，閃爍現(xiàn)象可以降到最小。模擬調(diào)光更容易實現(xiàn)，因為它只需要一個DC電壓就可以無閃爍地對LED進行調(diào)光。但通常來說，調(diào)光范圍要窄一些。”
對于由多個LED構成的大功率照明應用，確保每個LED具有均勻的亮度且不產(chǎn)生任何閃爍也成為了主要的設計障礙，但PWM方法很容易解決調(diào)光時的閃爍問題。“若PWM調(diào)制器的占空比能保持恒定，就便應該不會存在有燈光亮度不均勻的問題。”吳志民表示，“美國國家半導體的LED驅動器不但能確保輸出的電流大小均勻，而且也確保畫面有極高的光暗對比度。從以這幾方面來說，我們的LED驅動器都比市場上的同級產(chǎn)品更出色優(yōu)勝。”
Tony Armstrong指出，總之，最終用戶所采用的調(diào)光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如，在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統(tǒng)中，環(huán)境照明的亮度變化范圍是非常寬的，既有陽光充足時的無比明亮，也有無月之夜的漆黑一片，可謂千差萬別。由于人眼對于環(huán)境照明條件的輕微變化極其敏感，因此需要3000:1的寬調(diào)光范圍。這將要求LED驅動器電路采用PWM調(diào)光方法。
不過，他補充道：“在LED街燈中，由于這種燈常常要么處于接通狀態(tài)要么處于關斷狀態(tài)，因而只需要一個有限的調(diào)光范圍即可。在這種場合中，僅需采用一種簡單的模擬調(diào)光法便能滿足要求。”
如前所述，小于25W的LED照明應用主要是替換標準白熾燈和鹵素燈。在這一功率范圍上，最可能的一個應用就是替代由基于TRIAC(雙向可控硅)的逐步削減入墻式調(diào)光器控制的白熾燈或節(jié)能燈。目前市場上有前沿和后沿削減調(diào)光器，這為整體兼容性帶來了挑戰(zhàn)，因為從EMI的角度來看TRIAC調(diào)光是很差的。
“對于要求最佳性價比的非調(diào)光應用，使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲是一個合適的選擇。”Alexander Sommer認為，“25W及以上功率范圍LED照明應用面向更多的專業(yè)市場。調(diào)光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型。數(shù)字照明控制(如DALI或無線解決方案)允許對調(diào)光水平進行更精確的控制、以及更多的功能，如日光下調(diào)光和占空比感應。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調(diào)光控制器。”
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