白光LED照明是未來主流趨勢

在很多情況下，LED更高的效率可將功耗降低多達88%。它們還極大地降低了為照明而發(fā)電和傳輸電能所導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照明市場預計將超過50億美元，對應于2009年至2012年的28%年復合增長率(CAGR)。這僅僅是個開始，因為在LED發(fā)光效率的提高繼續(xù)加速了商業(yè)/住宅照明市場從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈向高亮度白光LED轉變的同時，LED從商業(yè)化角度來看甚至會變得更具有成本效益。

根據(jù)一些計算，從傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈轉向LED照明可使當前全球總能耗節(jié)省高達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%的潛力對這種轉變起到了極大的推動作用。

什么因素支持如此巨大的增長潛力？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的進一步開發(fā)，它們靠電力發(fā)光的效率會繼續(xù)提高，而且預計在未來幾年內(nèi)將翻一番。

其次，在一個非常關注環(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5mg的水銀，而更大的燈含有的水銀會多得多！

第三，白熾燈每用1,000小時就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用長達1萬小時，相比之下，LED的壽命超過10萬小時。在大多數(shù)應用中，這允許LED永久地嵌入到最終應用之中，而無需附屬裝置。

實例包括室內(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。有些應用(如提煉廠)24小時不間斷運行的，LED將持續(xù)使用長達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數(shù)位級，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，從而更高效率地聚焦光。白光LED提供純的“全光譜”白色光，在色譜中沒有縫隙，從而就需要可靠視敏度的任務而言，可以非常容易地看清楚。例如，查看色標導線、讀取彩色標志或區(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可能很困難，因為在這種照明環(huán)境中無法準確區(qū)分顏色。

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

然而，照明系統(tǒng)設計師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，如何優(yōu)化最新一代LED的所有好處。因為LED通常需要一個準確和高效率的DC電流源和一種調(diào)光方法，所以LED驅動器IC在多種應用中必須設計到滿足這些需求。電源解決方案必須是高效率、堅固、非常緊湊和具成本效益?？梢宰C明，就驅動照明從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈照明陣列向LED轉變而言，增長最快的應用將出現(xiàn)在通用內(nèi)部/外部照明應用中，因為在這類應用中，功耗節(jié)省的回報是最大的。

室內(nèi)/室外LED照明

諸如尺寸小、使用壽命長、功耗低、易于調(diào)光和快速接通時間等好處已經(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用中被采用。LED的長壽命和小尺寸使得在各種應用中引入新配置成為可能，這些應用包括在冰箱正面提供照明的白光LED陣列、以至照亮整個大學校園的更復雜系統(tǒng)等。以下圖1顯示的是美國紐約Verrazano Narrows大橋，這個大橋完全由高亮度LED照明。LED的高效率極大地降低了所需的電力，而它們的長壽命和耐用性在相對苛刻的海洋環(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、接通時間、調(diào)光能力、堅固性、易于設計以及當然還有效率方面都需要一些具體的標準。不過，既然采用LED的新照明設計一般都比白熾燈設計昂貴，那么從長遠來看，就必須靠更高效率的發(fā)光來極大地節(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，因此促進了長期能源節(jié)省。諸如24小時不間斷運行的工廠等應用，一般僅在幾年內(nèi)就可以收回LED的成本，而其他照明設計可能需要長達5年的時間。

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，其典型范圍視應用和LED配置的不同而有所改變，從僅為8V至72V。不過，大多數(shù)新的設計都將在12V至24V的DC輸入范圍內(nèi)工作，而有些改良設計會使用12VAC輸入。

為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一個有效的驅動電路。這些驅動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。為了保持長工作壽命，首要的是不超過LED的電流和溫度限制。不管輸入電壓如何變化，LED驅動器都能為LED串提供恒定電流，以保持恒定的光輸出和顏色，這也很重要。出于這個原因，通常需要恒定頻率、電流模式LED驅動器拓撲。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動態(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驅動器必須提供超過90%的效率，以最大限度地減小對外部散熱措施的需求，并保持照明系統(tǒng)的高效率。

圖2顯示了一個由單個LED驅動器IC驅動的典型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100V、高壓側電流檢測DC/DC轉換器，用來驅動大電流LED。該器件6V至100V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3756使用一個外部N溝道MOSFET，可以從標稱12V的輸入驅動多達14個1A的白光LED，從而提供超過50W的功率。它可以用一個24V輸入為多達20個LED供電，從而提供總共75W的LED功率。

LT3756包括高壓側電流檢測，從而使該器件能夠用在升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓撲中。在這個例子中，LT3756用于升壓模式，可以提供超過94%的效率，從而無需散熱措施，并最大限度地減輕了對熱量的擔憂。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz范圍內(nèi)對頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。結合3mm x 3mm QFN封裝，LT3756可提供一個非常緊湊的50W至75W LED驅動器解決方案。

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、電流模式架構在寬電源電壓和輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定工作。一個以地為基準電壓的FB引腳用作幾種LED保護功能的輸入，從而使該轉換器可以作為恒定電壓源工作。

圖2的設計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于500W鹵素燈，而產(chǎn)生的熱量與鹵素燈相比卻非常少。除了節(jié)省能源，由LT3756驅動的LED還提供即時接通功能、純凈得多的光顏色并能夠快速和準確地對LED調(diào)光?；蛘?，還可以將多達14個4W的LED配置為活動式投射燈，每個燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當于一個40W鹵素燈的光輸出，同時降低了非常熱的鹵素燈固有的火災風險。類似地，LED還可以取代幾個熒光燈。

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)，我們可以考慮一個提煉廠的例子，如圖4所示。在這個例子中，超過1,000個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驅動的。因為