優(yōu)化LED照明應用設計

LED照明正在成為業(yè)界的首選技術，尤其適用于環(huán)境條件惡劣的場合。LED解決方案具有穩(wěn)健性，并且從不會完全失效。然而，其光強度確實會隨時間而減弱。在測量LED光輸出并調(diào)整電源以便在燈泡的整個壽命期間保持恒定光輸出的場合，采用自動減低亮度的方法是非常有益的。這樣可以大大延長燈泡的使用壽命，并在燈泡制造狀況變更下保持穩(wěn)定的亮度。本文給出了用于街道、辦公室和工廠照明，使用各種傳感器技術工作的電路示例。

系統(tǒng)級生態(tài)設計（ecodesign）的新途徑

就生態(tài)設計而言，對于給定的應用，延長使用壽命永遠是人們所希望的，因為它與生態(tài)影響（ecological）直接相關。這不像說起來那么容易，因為創(chuàng)新永不停止。需要考慮新的標準和新的應用可能，并且需要實現(xiàn)新功能。重要的是不要僅僅執(zhí)行最低標準，還要構建搶得先機具有許多新功能的“更好的”產(chǎn)品，并且獲得一定的靈活性。“火星漫游車”就是一個很好的例子，大量的技術支持幫助實施了這項計劃，并且發(fā)射時間較原定計劃大大提前。

重要的是不僅具備靈活性，而且LED的使用壽命也要具備維持如此長時間的工作潛力。在此，需要考慮三類影響：快速變化的影響（例如開機電流）、緩慢變化的影響（例如參數(shù)漂移）以及外部影響。

對于所有應用而言，開機電流是一種重要的應力。電源中存在著可能造成這種應力的大總線電容。此外，上電時的不明確狀態(tài)可能給應用帶來應力。為了避免這些狀況，應該在整個設計階段使用失效模式與影響分析（FMEA）對電路性能進行仔細的分析。在完成的應用中，重要的是檢驗開機和關機過程中的電流和溫度。在設計階段，它們可能未被認知，而在后期造成現(xiàn)場故障。

此圖顯示了由開機電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化，這時其它元件處于比較冷狀態(tài)，整流器的溫度升高了很多，可能影響其使用壽命。

許多二、三十年前開發(fā)的應用擁有能避免漂移所引發(fā)故障的電路技術。由于那時使用的許多元件具有較大的公差水平和更大的漂移，所以開發(fā)了對元件特性依賴較少的電路。為了延長一項應用產(chǎn)品的使用壽命，許多這類技術不在如今的生態(tài)設計的考慮之列。這就增加了電路設計的復雜性，使得元件數(shù)目增加。電子線路的生態(tài)影響通常低于工作能耗所引起的影響，所延長的使用壽命可以彌補增加的復雜性。

功率電子是所有應用和產(chǎn)品的一個重要部分，也更在生態(tài)設計的考慮之中，因為子系統(tǒng)通過效率等特性影響到生態(tài)效應。例如，較低的效率意味著一項應用產(chǎn)品需要采用較大的散熱片，從而在生產(chǎn)和應用過程中消耗更多的能量，并需要使用更多的能量進行運輸和回收。因此，建議設計人員考慮達到最高效率和寬輸入電壓范圍，以便使用較少的元件，獲得最大的靈活性，因為這個部分以后不能改動（例如：通過軟件更改）。

在照明應用中，使用LED解決方案是大勢所趨。除了具有更高的效率之外，LED本身具有很長的使用壽命，LED驅(qū)動電子裝置在設計上應該最大限度地利用LED的長使用壽命。以下是這種照明方案的示意圖：

街燈照明是這類照明方案的一個特殊實例，沒有其它哪種照明應用結(jié)合了如此多的要求，這些要求并不總是趨于融合。溫度、濕度以及振動等不斷變化的環(huán)境因素，以及高效率、高可靠性和低能耗需求，都成為照明解決方的考慮因素，同時還要考慮大批量生產(chǎn)和承受相應的價格壓力。隨著燈對電能的消耗，溫度會從-40°C大幅上升至85°C。重要的是必須注意到，每個開關（每日）循環(huán)會引發(fā)一次溫度循環(huán)。這意味著在系統(tǒng)層面上，五年中燈泡會有接近2000次溫度循環(huán)，這給系統(tǒng)帶來了很大的應力。

由于街燈照明的成本是城鎮(zhèn)預算的一個重要部分，人們特別關注高效率，以期幫助降低街燈的運作成本。目標是使用盡可能少的電能來達到街道或人行道所需的發(fā)光度水平。這不包括維護成本，對于使用壽命較短的燈炮，其維護成本也很可觀。

粗略估算一定人口使用街燈數(shù)量的方法，是按照每六個居民一盞街燈的比例來計算。按照這一比例，德國大約有1330萬盞街燈——節(jié)能的潛力非常巨大。因此，許多城市和社區(qū)轉(zhuǎn)而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇了，或者更換整個燈泡，或者更換燈頭。

面對所有這些要求，這種電源的設計很復雜，但并不是不可能。上圖的左側(cè)是輸入濾波器和橋式整流器的示例，后面跟著一個有些與眾不同的電路，其中反激電路使用了一個BCM-PFC-控制器。通常，電源周期內(nèi)開關頻率要發(fā)生變化，以保持輸出電壓的恒定。此處，使用振蕩器（帶Q102的電路）維持恒定的開關頻率，從而在整個電源周期內(nèi)維持一種恒定的占空比?？梢愿淖冋伎毡龋m然以極低的速度），以便調(diào)整輸出電流。這不會產(chǎn)生問題，因為LED不是動態(tài)負載。借助這種改變，輸入電流將與輸入電壓對應，轉(zhuǎn)換器將恒定工作于DCM模式，獲得非常好的功率因數(shù)。

該圖顯示整個電源周期內(nèi)初級端（藍色）和次級端（棕色）的電流。很明顯，電流的峰值呈正弦形包絡，這使其能夠在使用小輸入電容時，仍然獲得好的功率因數(shù)和低傳導輻射。

該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因數(shù)。缺點是在雙倍電網(wǎng)頻率下，次級端的紋波電流很大，但對于LED照明而言，這不會成為缺點，因為人眼對100Hz的閃爍是不敏感的。

在次級端，利用一個電路將輸出電流（用分流電阻測量）轉(zhuǎn)換成初級端調(diào)節(jié)器的反饋信號，以獲得驅(qū)動LED的電流輸出。這里，對平均輸出電流進行調(diào)節(jié)，因為反饋回路必須緩慢，以便在輸入端獲得好的功率因數(shù)。另一個優(yōu)點是使用金屬箔電容作為輸入電容，其小尺寸減小了對空間的要求，并顯著提高了壽命。

LED燈的壽命還由LED的亮度漂移決定。例如，OSRAM公司的“金龍+”LED燈的平均壽命為45000小時（焊接點溫度85°C，以0.7A電流連續(xù)工作）。其可分成四個階段，第一個階段是能夠向上或向下的相對快速漂移的階段，接下來是反射器老化階段，然后是LED僅有微小漂移的較長階段，最后是燈壽命漂移真正終止的階段，在這個階段中，亮度持續(xù)降低。

LED的失效不會是災難性的，但是在到達額定壽命期時，其亮度下降到70%。燈將隨時間的推移持續(xù)變暗。在某些應用中，這不是問題，但對于其他一些有標準和規(guī)范要求亮度恒定的應用中，這種情況是不能被接受的。

與使用高壓鈉燈的普通路燈相比，LED燈更加耐用，并具有更長的壽命。不過仍有進一步提升的可能性。為了延長壽命，并減小設計對環(huán)境的影響，可以使用亮度傳感器來調(diào)節(jié)亮度，并在壽命期內(nèi)獲得恒定的發(fā)光度。

下圖為用于大功率LED調(diào)光的次級端恒流控制電路的示例：

為了在不改變顏色的情況下改變LED的亮度，使用了脈寬調(diào)制方案。為此，在電路的輸入端施加一個方波信號。當電壓高于1V時，調(diào)節(jié)器禁用，LED串內(nèi)沒有電流流過。電壓很低時，IC的輸入節(jié)點會承擔分流電阻反映出的電壓，有效地接通電流控制，并使LED串在這種恒定電流下工作。這將產(chǎn)生恒流脈沖，緊接著是暫停，即無電流流過。這樣將會在不改變顏色的情況下調(diào)節(jié)LED的亮度。結(jié)合上面的PFC反激式電路，重要的是要使用一種不會與電網(wǎng)頻率產(chǎn)生可見拍頻頻率的PWM調(diào)制信號。

實現(xiàn)亮度傳感器的方法有很多種。例如可使用光敏晶體管或者光敏二極管，但它們需要部分模擬電路，以便使它們的信號適用于調(diào)節(jié)。還有一種許多商用亮度傳感器都在使用的標準化模擬接口，其控制電壓范圍為0至10V。在噪聲較大的環(huán)境中，信號也以用電流環(huán)路傳送，例如：以0至20mA電流工作。此外，在傳感器或者傳感器陣列與中央控制器相結(jié)合的地方可以使用數(shù)字接口來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，甚至實現(xiàn)冗余工作，比如可以對一些出現(xiàn)故障的燈進行補償。這一點尤其有利于不便更換燈的環(huán)境，例如：在半導體生產(chǎn)廠內(nèi)。

利用這樣的中央控制器和燈，調(diào)節(jié)和接通操作不會對燈的壽命產(chǎn)生負面影響，還能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，比如根據(jù)用戶在場與否進行調(diào)節(jié)、環(huán)境光調(diào)節(jié)、遙控（通過電話或短信）開燈關燈等。

結(jié)論

在早期，LED照明解決方案的光輸出低，可靠性也較差，這些缺點阻礙了它的普及。但是，隨后這些問題被克服，LED照明解決方案得到了越來越廣泛的應用?，F(xiàn)在，隨著控制電路和應用的不斷開發(fā)，LED的長壽命特性開始大有用武之地，它的環(huán)保優(yōu)勢終于被充分顯現(xiàn)出來。