白光LED照明是未來(lái)主流趨勢(shì)

在很多情況下，LED更高的效率可將功耗降低多達(dá)88%。它們還極大地降低了為照明而發(fā)電和傳輸電能所導(dǎo)致的二氧化碳排放量。根據(jù)Strategies Unlimited公司的研究，到2012年，總的高亮度白光LED照明市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)50億美元，對(duì)應(yīng)于2009年至2012年的28%年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)。這僅僅是個(gè)開(kāi)始，因?yàn)樵贚ED發(fā)光效率的提高繼續(xù)加速了商業(yè)/住宅照明市場(chǎng)從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈向高亮度白光LED轉(zhuǎn)變的同時(shí)，LED從商業(yè)化角度來(lái)看甚至?xí)兊酶哂谐杀拘б妗?

根據(jù)一些計(jì)算，從傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈轉(zhuǎn)向LED照明可使當(dāng)前全球總能耗節(jié)省高達(dá)10%。隨著人們加速努力降低發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳的總排放量，全球照明能源需求降低10%的潛力對(duì)這種轉(zhuǎn)變起到了極大的推動(dòng)作用。

什么因素支持如此巨大的增長(zhǎng)潛力？首先，目前這一代LED的發(fā)光效率比白熾燈高10倍，是熒光燈和高壓鈉燈(HPS)的兩倍多，從而極大地降低了提供所需光輸出(以流明量度)所必需的電力。隨著LED的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，它們靠電力發(fā)光的效率會(huì)繼續(xù)提高，而且預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)將翻一番。

其次，在一個(gè)非常關(guān)注環(huán)保的世界上，LED照明不需要處理、接觸和清除熒光燈中常見(jiàn)的有毒水銀蒸氣。今天用于大多數(shù)住宅照明系統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)含有多達(dá)5mg的水銀，而更大的燈含有的水銀會(huì)多得多！

第三，白熾燈每用1,000小時(shí)就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)小時(shí)，相比之下，LED的壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許LED永久地嵌入到最終應(yīng)用之中，而無(wú)需附屬裝置。

實(shí)例包括室內(nèi)和室外商業(yè)及住宅照明，如路燈、室內(nèi)和室外工業(yè)照明以及諸如發(fā)電廠和提煉廠等有害環(huán)境中的照明。有些應(yīng)用(如提煉廠)24小時(shí)不間斷運(yùn)行的，LED將持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá)11年，這意味著它們將從不需要更換。另外，LED比其它類型的照明燈小和扁幾個(gè)數(shù)位級(jí)，能以非常扁平的外形尺寸制造，因此它們可以永久地置入內(nèi)部和外部應(yīng)用中。

LED的小尺寸還使置入LED外殼中的反射器能夠制作得更精細(xì)，從而更高效率地聚焦光。白光LED提供純的“全光譜”白色光，在色譜中沒(méi)有縫隙，從而就需要可靠視敏度的任務(wù)而言，可以非常容易地看清楚。例如，查看色標(biāo)導(dǎo)線、讀取彩色標(biāo)志或區(qū)分水蒸氣和火焰造成的煙霧。相反，在橙黃色的高壓鈉燈照明環(huán)境中完成同樣的任務(wù)可能很困難，因?yàn)樵谶@種照明環(huán)境中無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分顏色。

與人眼能察覺(jué)到的變化相比，LED還能以快得多的速度調(diào)光以及接通/斷開(kāi)，這極大地降低了功耗。LED照明可以調(diào)光或斷開(kāi)，直到需要時(shí)，再即時(shí)接通至最大光強(qiáng)，而熒光燈或高壓鈉燈需要長(zhǎng)達(dá)30秒或更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到最大光強(qiáng)。

然而，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，如何優(yōu)化最新一代LED的所有好處。因?yàn)長(zhǎng)ED通常需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的DC電流源和一種調(diào)光方法，所以LED驅(qū)動(dòng)器IC在多種應(yīng)用中必須設(shè)計(jì)到滿足這些需求。電源解決方案必須是高效率、堅(jiān)固、非常緊湊和具成本效益。可以證明，就驅(qū)動(dòng)照明從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈照明陣列向LED轉(zhuǎn)變而言，增長(zhǎng)最快的應(yīng)用將出現(xiàn)在通用內(nèi)部/外部照明應(yīng)用中，因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中，功耗節(jié)省的回報(bào)是最大的。

室內(nèi)/室外LED照明

諸如尺寸小、使用壽命長(zhǎng)、功耗低、易于調(diào)光和快速接通時(shí)間等好處已經(jīng)加速了高亮度LED在工業(yè)和住宅照明等很多已有照明應(yīng)用中被采用。LED的長(zhǎng)壽命和小尺寸使得在各種應(yīng)用中引入新配置成為可能，這些應(yīng)用包括在冰箱正面提供照明的白光LED陣列、以至照亮整個(gè)大學(xué)校園的更復(fù)雜系統(tǒng)等。以下圖1顯示的是美國(guó)紐約Verrazano Narrows大橋，這個(gè)大橋完全由高亮度LED照明。LED的高效率極大地降低了所需的電力，而它們的長(zhǎng)壽命和耐用性在相對(duì)苛刻的海洋環(huán)境中尤其重要。

圖1：LED照明的大橋

大功率工業(yè)照明

無(wú)論是在工廠、提煉廠、零售商店還是在醫(yī)院中，工業(yè)照明在顏色、接通時(shí)間、調(diào)光能力、堅(jiān)固性、易于設(shè)計(jì)以及當(dāng)然還有效率方面都需要一些具體的標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，既然采用LED的新照明設(shè)計(jì)一般都比白熾燈設(shè)計(jì)昂貴，那么從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，就必須靠更高效率的發(fā)光來(lái)極大地節(jié)省能源成本。如前所述，與等效白熾燈相比，LED照明提供約高10倍的效率，而與熒光燈或高壓鈉燈相比，則高2倍到3倍，因此促進(jìn)了長(zhǎng)期能源節(jié)省。諸如24小時(shí)不間斷運(yùn)行的工廠等應(yīng)用，一般僅在幾年內(nèi)就可以收回LED的成本，而其他照明設(shè)計(jì)可能需要長(zhǎng)達(dá)5年的時(shí)間。

LED不用白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈首選的高壓AC電源，一般使用電壓低得多的DC電壓源，其典型范圍視應(yīng)用和LED配置的不同而有所改變，從僅為8V至72V。不過(guò)，大多數(shù)新的設(shè)計(jì)都將在12V至24V的DC輸入范圍內(nèi)工作，而有些改良設(shè)計(jì)會(huì)使用12VAC輸入。

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路必須能夠靠不精確穩(wěn)定的電源軌工作，而且還必須具有成本效益和空間效益。為了保持長(zhǎng)工作壽命，首要的是不超過(guò)LED的電流和溫度限制。不管輸入電壓如何變化，LED驅(qū)動(dòng)器都能為L(zhǎng)ED串提供恒定電流，以保持恒定的光輸出和顏色，這也很重要。出于這個(gè)原因，通常需要恒定頻率、電流模式LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)洹Ｅc電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并提供逐周期電流限制，從而向LED提供恒定電流。最后，LED驅(qū)動(dòng)器必須提供超過(guò)90%的效率，以最大限度地減小對(duì)外部散熱措施的需求，并保持照明系統(tǒng)的高效率。

圖2顯示了一個(gè)由單個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)的典型50W LED串，該IC是凌力爾特公司的LT3756，工作在升壓模式。LT3756是一個(gè)100V、高壓側(cè)電流檢測(cè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)大電流LED。該器件6V至100V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應(yīng)用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3756使用一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以從標(biāo)稱12V的輸入驅(qū)動(dòng)多達(dá)14個(gè)1A的白光LED，從而提供超過(guò)50W的功率。它可以用一個(gè)24V輸入為多達(dá)20個(gè)LED供電，從而提供總共75W的LED功率。

LT3756包括高壓側(cè)電流檢測(cè)，從而使該器件能夠用在升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓?fù)渲?。在這個(gè)例子中，LT3756用于升壓模式，可以提供超過(guò)94%的效率，從而無(wú)需散熱措施，并最大限度地減輕了對(duì)熱量的擔(dān)憂。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz范圍內(nèi)對(duì)頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。結(jié)合3mm x 3mm QFN封裝，LT3756可提供一個(gè)非常緊湊的50W至75W LED驅(qū)動(dòng)器解決方案。

此外，LT3756采用真彩色PWM(True Color PWM)調(diào)光，這種調(diào)光方法以寬達(dá)3,000:1的調(diào)光范圍提供恒定LED顏色。就不那么苛刻的調(diào)光需求而言，CTRL引腳可用來(lái)提供10:1的模擬調(diào)光范圍。該器件的固定頻率、電流模式架構(gòu)在寬電源電壓和輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定工作。一個(gè)以地為基準(zhǔn)電壓的FB引腳用作幾種LED保護(hù)功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器可以作為恒定電壓源工作。

圖2的設(shè)計(jì)可以在多種不同的配置中使用。LED可以在50W聚光燈配置中以單陣列排列，以取代125W的熒光燈或高壓鈉燈，這幾種燈的光輸出都相當(dāng)于500W鹵素?zé)?，而產(chǎn)生的熱量與鹵素?zé)粝啾葏s非常少。除了節(jié)省能源，由LT3756驅(qū)動(dòng)的LED還提供即時(shí)接通功能、純凈得多的光顏色并能夠快速和準(zhǔn)確地對(duì)LED調(diào)光?；蛘撸€可以將多達(dá)14個(gè)4W的LED配置為活動(dòng)式投射燈，每個(gè)燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當(dāng)于一個(gè)40W鹵素?zé)舻墓廨敵觯瑫r(shí)降低了非常熱的鹵素?zé)艄逃械幕馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)。類似地，LED還可以取代幾個(gè)熒光燈。

圖2：LT3756 50W LED升壓電路

圖3：LT3756 50W LED升壓電路的效率和VIN

一個(gè)工業(yè)照明的案例分析

為了突出LED工業(yè)照明的好處(與歷史上效率最高的高壓鈉燈照明相比)，我們可以考慮一個(gè)提煉廠的例子，如圖4所示。在這個(gè)例子中，超過(guò)1,000個(gè)250W的高壓鈉燈照明系統(tǒng)被同樣數(shù)量的100W白光高亮度LED照明系統(tǒng)取代，這些LED都是由LT3756驅(qū)動(dòng)的。因?yàn)?/span>