LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的影響因素

LED照明應(yīng)用的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)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(yùn)用適當(dāng)?shù)碾娫聪到y(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)才能解決。

由于LED燈必須能夠裝設(shè)在原有的舊式插座之內(nèi)，因此散熱是一個(gè)必須克服的大問題。但嚴(yán)格來說，這可以利用機(jī)械工程技術(shù)解決的問題，LED系統(tǒng)生產(chǎn)商的責(zé)任是努力開發(fā)新技術(shù)，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(qū)動(dòng)器，以確保可將整個(gè)燈光系統(tǒng)的散熱量減至最少。”

LED的相對(duì)高成本是LED照明市場(chǎng)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(wù)部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)AlexanderSommer就說：“大多數(shù)小于25W的典型LED照明應(yīng)用是標(biāo)志燈、標(biāo)識(shí)燈、以及替代標(biāo)準(zhǔn)的白熾燈和鹵素?zé)?。但與現(xiàn)有的熒光燈和白熾燈技術(shù)相比，LED初始成本仍然是進(jìn)入大眾市場(chǎng)的一個(gè)主要障礙。”

Cytech產(chǎn)品及設(shè)計(jì)部工程師徐瑞包也認(rèn)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(shí)現(xiàn)的，技術(shù)挑戰(zhàn)來自于終端應(yīng)用的要求，比如應(yīng)用于汽車，要考慮到光學(xué)設(shè)計(jì)以及整體散熱設(shè)計(jì)等。商業(yè)化部署的挑戰(zhàn)則主要來自于LED成本。”

LED照明設(shè)計(jì)的散熱考慮

25W以下的LED照明系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)用于像閱讀臺(tái)燈、走廊燈、客廳射燈、家用餐燈、小夜燈等應(yīng)用，客戶一般希望這類應(yīng)用設(shè)計(jì)得越小巧越好，因此其PCB能安放的設(shè)計(jì)空間相對(duì)來說比較小，因此長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)封裝空間內(nèi)的溫度有可能會(huì)很高。由于設(shè)計(jì)師不太可能在其內(nèi)安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇，因此它的散熱設(shè)計(jì)就變得非常關(guān)鍵和重要。

“大多數(shù)小于25W的低功率LED照明應(yīng)用要求一定程度的小型化。這常常導(dǎo)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(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供。此外，高電氣效率有助于降低功耗。”AlexanderSommer指出，“如果需要進(jìn)一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)最高效率的熱傳遞。這些方法也允許實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的流明輸出。”

另一種防止LED長(zhǎng)時(shí)間工作過熱問題的思路是采用調(diào)光解決方案。飛兆半導(dǎo)體公司高壓IC產(chǎn)品行銷經(jīng)理SangCheolHer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(shí)現(xiàn)。尤其是對(duì)于小于25W的LED驅(qū)動(dòng)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(shí)上，在這個(gè)功率范圍內(nèi)，LED照明燈將會(huì)取代鹵素?zé)艉途o湊型熒光燈(CFL)。此外，先進(jìn)的技術(shù)為了擺脫散熱問題，必須去掉對(duì)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(qū)動(dòng)器解決方案都源于電源拓?fù)洳⒁源藶榛A(chǔ)，故應(yīng)該考慮到溫度范圍的限制，因?yàn)橐话惝a(chǎn)品通?；谏虡I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但照明燈卻必須確保能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境如工業(yè)環(huán)境。

LED照明設(shè)計(jì)的架構(gòu)選擇

LED照明系統(tǒng)架構(gòu)選擇取決于你的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jìn)行功率校正，因此可以采取簡(jiǎn)單一些的拓?fù)浼軜?gòu)，如PSR或Buck拓?fù)洹?5W-100W的LED照明應(yīng)用要求進(jìn)行功率校正，因此一般采用單級(jí)PFC、準(zhǔn)諧振(QR)PWM或反激式拓?fù)洹?00W以上LED照明應(yīng)用一般采用效率更高的LLC拓?fù)浜碗p級(jí)PFC.

“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓?fù)?，因?yàn)檫@一功率范圍主要針對(duì)小型設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。中等功率解決方案(25W-100W)適合于單級(jí)PFC、準(zhǔn)諧振(QR)PWM、反激式拓?fù)洹?rdquo;SangCheolHer說，“大功率解決方案(大于100W)則適合采用LLC、QRPWM、反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)。從效率角度來看，LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級(jí)反饋，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(yīng)用在室內(nèi)照明，它們主要采用低成本的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安森美半導(dǎo)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(230VAC輸入)。”

“對(duì)于非隔離型小于25WLED照明應(yīng)用，如果輸入到輸出轉(zhuǎn)換比低，那么簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓?fù)浼軜?gòu)中，使用像英飛凌CoolSETICE2QS系列器件的準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)渚褪且粋€(gè)很好的選擇。”AlexanderSommer說。英飛凌是第一家提供數(shù)字準(zhǔn)諧振反激控制IC的供應(yīng)商。

25W-100W功率范圍的典型LED照明應(yīng)用是街道照明(小區(qū)道路)和像停車場(chǎng)這樣的公共場(chǎng)所。功率轉(zhuǎn)換效率、PFC功能的高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)和高顏色品質(zhì)現(xiàn)在是最重要的三大技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，在商業(yè)照明和街道照明應(yīng)用中，更長(zhǎng)得使用壽命和由此產(chǎn)生的更低維護(hù)成本正幫助克服較高初始成本的進(jìn)入障礙。25W到100W的LED照明應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jiǎn)單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示，“對(duì)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(shí)實(shí)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(shì)，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導(dǎo)體的NCP1652為實(shí)現(xiàn)單級(jí)的PFC電路提供了最優(yōu)的控制方案。”

深圳世強(qiáng)電訊則采用SiliconLabs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實(shí)現(xiàn)PFC.該公司助理市場(chǎng)經(jīng)理黃孫峰說：“我們針對(duì)家用市電(180V-260V)輸入10W-30W小功率LED照明應(yīng)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(shí)現(xiàn)高達(dá)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(biāo)的前提下，還具有更高的靈活性、適應(yīng)性及可升級(jí)性。”該方案采用的LED驅(qū)動(dòng)器MIC3230的最大輸出電流為350mA,最多可驅(qū)動(dòng)12顆1W的LED,能夠很好地滿足室內(nèi)照明的需求。

AlexanderSommer說：“對(duì)于要求在一個(gè)很寬的輸入和/或負(fù)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(yīng)用，建議采用帶一個(gè)獨(dú)立PFC級(jí)的準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型地可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的效率。”

100W以上應(yīng)用包括主要道路和高速公路照明(這里需要高達(dá)20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入)和專業(yè)應(yīng)用，如舞臺(tái)燈光照明和建筑泛光燈照明。在高功率應(yīng)用中使用LED的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)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(chǎng)進(jìn)入門檻。

鄭宗前指出：“對(duì)于大于100W的LED應(yīng)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(zhuǎn)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(qū)動(dòng)的半橋諧振控制器。”

該半橋諧振控制器工作在固定的開關(guān)頻率和固定的占空比，并且該電路不需要輸出側(cè)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(qiáng)調(diào)：“對(duì)于100W以上的更高功率級(jí)LED照明應(yīng)用，效率變得更加重要，建議使用LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以實(shí)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)LED所需的電流。這導(dǎo)致了多種不同的可行LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(chǎng)總監(jiān)TonyArmstrong指出：“每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其中，標(biāo)準(zhǔn)降壓型轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單和最容易實(shí)現(xiàn)的方案，升壓型和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器次之，而SEPIC型轉(zhuǎn)換器則最難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樗捎昧藦?fù)雜的磁性設(shè)計(jì)原理，而且需要設(shè)計(jì)者擁有高超的開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)。”

總而言之，終端產(chǎn)品的應(yīng)用決定LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后再根據(jù)LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC、或Buck-Boost結(jié)構(gòu)。“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(jié)構(gòu)。效率的話兩者一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高達(dá)97%的效率?？紤]驅(qū)動(dòng)部分BOM成本的時(shí)候更應(yīng)該考慮整體系統(tǒng)成本。”徐瑞包說，“隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，時(shí)時(shí)會(huì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(shù)集成度高的產(chǎn)品，外圍電路簡(jiǎn)單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”