LED照明應用設計需考慮的各種因素

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、調光無閃爍、大范圍調光、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。

由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內，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。”

　　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)務部產品市場總監(jiān)AlexanderSommer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。”

　　Cytech產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的溫度有可能會很高。由于設計師不太可能在其內安裝一個散熱風扇，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。”AlexanderSommer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光解決方案。飛兆半導體公司高壓IC產品行銷經理SangCheolHer表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調光控制器來實現(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，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，因為一般產品通常基于商業(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。

　　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。”SangCheolHer說，“大功率解決方案（大于100W）則適合采用LLC、QRPWM、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25W的LED燈具主要應用在室內照明，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（230VAC輸入）。”

　　“對于非隔離型小于25WLED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CoolSETICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個很好的選擇。”AlexanderSommer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-DCPWM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SiliconLabs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現(xiàn)PFC.該公司助理市場經理黃孫峰說：“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照明的需求。

　　AlexanderSommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負載范圍內（如調光）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。

　　AlexanderSommer強調：“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品部產品市場總監(jiān)TonyArmstrong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品，外圍電路簡單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”