照明市場(chǎng)中的高亮度LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)
如果我們審視各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的電能消耗,根據(jù)預(yù)計(jì),全球大約有19%的電能是用于照明。這部分的電能消耗比例相當(dāng)可觀,有鑒于此,業(yè)界不斷致力于尋求面向通用照明市場(chǎng)的更加節(jié)能高效的照明解決方案。
通用照明市場(chǎng)的不同光源對(duì)比
從具體應(yīng)用來看,通用照明市場(chǎng)涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛,包括建筑物照明、標(biāo)志、景觀照明、零售、信號(hào)燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場(chǎng),目前常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。
如果我們基于能效基準(zhǔn)對(duì)不同光源進(jìn)行比較,那么用于衡量照明的一個(gè)重要指標(biāo)便是總輸出流明與輸入功率比,以每瓦流明數(shù)(lm/W)來衡量,稱作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中,白熾燈的能效相對(duì)較低。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的60 W白熾燈而言,其能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對(duì)而言,CFL的能效要高得多,典型能效達(dá)55至60 lm/W。不過,CFL屬于全方向照射,安裝在燈具中時(shí),光會(huì)被直射、反向或遮蔽,從而帶來光損耗,使得55 lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間。其它的光源,如HID也擁有著比白熾燈更高的能效,1款100 W金屬鹵素HID燈大約可以產(chǎn)生8,000流明的輸出,即能效在80 lm/W;不過,象CFL一樣,HID的光輸出是全方向,在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。
圖1:不同光源的能效發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比
相比較而言,LED是一種新興的光源技術(shù)。最常見的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)黃光)的藍(lán)色LED。LED擁有著越來越高的能效,業(yè)界近期宣稱的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W,色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上,近年來,業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對(duì)于通用照明而言,LED擁有眾多具有吸引力的特性。例如,它本質(zhì)上是一種低壓器件,它們體積小巧,產(chǎn)生定向光,能夠產(chǎn)生多種色彩以及白光。它們產(chǎn)生紅外(IR)或紫外(UV)輻射,而且由于它們是固態(tài)器件,它們?cè)跈C(jī)械上很強(qiáng)固并且不含汞,在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和使用時(shí)能夠具有超過5萬(wàn)小時(shí)的工作壽命周期。與壽命為1千小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈相比,LED的壽命就要長(zhǎng)得多。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、可能的用量有限、擁有很多極端應(yīng)用環(huán)境的照明應(yīng)用而言,或者是在地理上難于接近或故障停機(jī)成本高昂的應(yīng)用中,LED的這些特性就特別具有吸引力。這樣一來,高亮度LED已經(jīng)在多種應(yīng)用中開始替代白熾燈;其中白天可見的應(yīng)用包括汽車中央停車警告燈和交通信號(hào)燈。
LED通用照明要求及LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)
對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用,需要從系統(tǒng)的角度來分析其要求??偟膩砜?,LED固態(tài)照明系統(tǒng)涉及以下要求:
#215; LED光源:光源緊湊高效,提供寬廣范圍的色彩和輸出功率
#215; 電源轉(zhuǎn)換:將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源
#215; 控制和驅(qū)動(dòng):采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制
#215; 熱管理:為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命,結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要,需要分析散熱
#215; 光學(xué)器件:將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或?qū)Ч獠牧?BR>
在開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案時(shí),這幾方面的要求都非常重要。其中,LED控制和驅(qū)動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言,它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化,不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異,LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移,而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用,就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流,而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。圖2顯示的是LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。
圖2:LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意
對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言,除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流,還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如,如果需要LED調(diào)光,則需要提供脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外,LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足,且功能強(qiáng)固,可以承受多種故障條件,并且要易于實(shí)現(xiàn)。值得一提的是,由于LED在最適宜電流時(shí)始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài),所以其色彩不會(huì)漂移。
由于系統(tǒng)中需要使用的LED數(shù)量常常不止一個(gè),這就涉及到對(duì)LED進(jìn)行配置的問題。一般而言,強(qiáng)烈建議驅(qū)動(dòng)單串LED,因?yàn)檫@樣能夠提供最佳的電流匹配,而與正向電壓變化或輸出電壓“漂移”無(wú)關(guān)。當(dāng)然,用戶也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來配置LED。如果采用并聯(lián)配置,電路就需要“匹配的”LED正向電壓;如果某個(gè)LED失效開路,其它LED可能會(huì)被過驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地,采用多路并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接技術(shù),可用于嘗試減輕發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。
LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例
根據(jù)具體應(yīng)用的不同,LED可能會(huì)采用不同的電源來供電,如交流線路、太陽(yáng)能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng),甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。
1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中,涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合,如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中,有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù),即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器,或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在反激轉(zhuǎn)換器方面,根據(jù)輸出功率的不同,可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如,安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用,NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率,而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。
以NCP1014/1028為例,這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器,具有集成的700 V高壓MOSFET,均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置,輸入電壓范圍為90至265 Vac,具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性,適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖如下面的圖3所示。值得一提的是,這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能,會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計(jì)中,電流和開路電壓能夠通過簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來調(diào)整。值得一提的是,如果針對(duì)230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器,則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率,NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。
圖3:安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖
在照明應(yīng)用中,如果輸出功率要求高于25 W,LED驅(qū)動(dòng)器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問題。例如,歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明(功率大于25 W)的要求中具有針對(duì)總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國(guó),能源部“能源之星”項(xiàng)目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PFC帶有強(qiáng)制性要求(而無(wú)論是何種功率等級(jí)),即針對(duì)住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7,而針對(duì)商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn),并非強(qiáng)制性要求,但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如,公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)將推動(dòng)LED的大規(guī)模應(yīng)用,應(yīng)用在公用設(shè)施級(jí)別的LED可望擁有較高功率因數(shù);而且公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí),LED是否具有較高功率因數(shù)(通常大于0.95)取決于公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)的意愿,如果他們?cè)敢?,則相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足這方面的要求。
圖4:需要PFC的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中不同架構(gòu)對(duì)比
在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中,傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化,且認(rèn)證簡(jiǎn)單,但在總體能效方面會(huì)有折衷,如
關(guān)鍵詞:
照明市場(chǎng)
高亮度
LED
驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)
相關(guān)推薦
-
-
licon | 2007-08-21
-
-
-
-
beibeidong | 2008-07-01
-
jackwang | 2006-09-17
-
8wy103405 | 2008-05-07
-
-
-
-
licon | 2007-08-21
-
-
技術(shù)專區(qū)
- FPGA
- DSP
- MCU
- 示波器
- 步進(jìn)電機(jī)
- Zigbee
- LabVIEW
- Arduino
- RFID
- NFC
- STM32
- Protel
- GPS
- MSP430
- Multisim
- 濾波器
- CAN總線
- 開關(guān)電源
- 單片機(jī)
- PCB
- USB
- ARM
- CPLD
- 連接器
- MEMS
- CMOS
- MIPS
- EMC
- EDA
- ROM
- 陀螺儀
- VHDL
- 比較器
- Verilog
- 穩(wěn)壓電源
- RAM
- AVR
- 傳感器
- 可控硅
- IGBT
- 嵌入式開發(fā)
- 逆變器
- Quartus
- RS-232
- Cyclone
- 電位器
- 電機(jī)控制
- 藍(lán)牙
- PLC
- PWM
- 汽車電子
- 轉(zhuǎn)換器
- 電源管理
- 信號(hào)放大器
評(píng)論