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LED發(fā)光效率邁大步 固態(tài)照明應(yīng)用前景光明

作者: 時(shí)間:2011-10-02 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
  隨著led的提升,發(fā)展也更趨蓬勃。為使更具成本效益,業(yè)者除要設(shè)法提升每瓦所產(chǎn)生的流明量,并整合光、機(jī)、電、熱等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)外,亦須采用具高效率、低成本的驅(qū)動(dòng)器,以打造最佳解決方案。

  過(guò)去10年來(lái),發(fā)光二極管()的制造商在提升LED功能上快速進(jìn)展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟(jì)效益,使得LED制造商會(huì)特別關(guān)注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量,甚至是每1塊錢(qián)所產(chǎn)生的流明量,因此必須整合熱能、光學(xué)、LED和電子學(xué)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)知識(shí),以建立最佳的解決方案。

  電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對(duì)直流(AC-DC)和直流對(duì)直流(DC-DC)電壓管理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)已有30年的經(jīng)驗(yàn)。雖然固態(tài)照明光源設(shè)計(jì)和電壓管理應(yīng)用不同,但技術(shù)學(xué)習(xí)和電力電子制造專(zhuān)家們都已準(zhǔn)備就位。市場(chǎng)上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品,其LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)湟恢痹诟牧寄壳半妷旱恼{(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動(dòng)器各有特別的需求,激勵(lì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對(duì)固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。

  固態(tài)照明主要和次要的光學(xué)系統(tǒng),是須要進(jìn)行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品,次要的光學(xué)組件所造成流明的損失極小,但仍有改善的必要,而業(yè)界也正持續(xù)改進(jìn)。

 
 減少LED數(shù)量以降低成本

  為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用,最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益,而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此,固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量,所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè),而且其制造過(guò)程都經(jīng)過(guò)優(yōu)化,因此僅能節(jié)省極小的成本。   能源之星認(rèn)證影響很大

  美國(guó)政府推出“能源之星”的認(rèn)證標(biāo)章,旨在保護(hù)消費(fèi)者并確保發(fā)行到市場(chǎng)上照明產(chǎn)品的質(zhì)量。能源之星的基本要求就是終端產(chǎn)品須達(dá)到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設(shè)計(jì)要求流明/瓦的范圍在每瓦40~50流明之間。有能源之星認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室可透過(guò)產(chǎn)品終端應(yīng)用之標(biāo)準(zhǔn)化程序指針,測(cè)試制造商提交的產(chǎn)品,實(shí)驗(yàn)室會(huì)檢測(cè)流明且記錄輸入功率,可了解產(chǎn)品能否達(dá)到能源之星的要求。
為期盼固態(tài)照明能獲大眾采用,LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的進(jìn)步。其中,光學(xué)業(yè)界把流明損耗最小化,同時(shí)提高產(chǎn)品的光學(xué)功能;至于電力電子和IC制造商則一直進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的優(yōu)化,共同致力于固態(tài)照明發(fā)展。
  
照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

  隨著照明制造商慢慢減少系統(tǒng)所需的LED數(shù)量,所面臨的問(wèn)題也正逐漸浮現(xiàn)。雖然減少LED數(shù)量曾經(jīng)對(duì)銷(xiāo)售有幫助,但卻也帶給業(yè)界一個(gè)無(wú)法預(yù)見(jiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)。此問(wèn)題是在A19/E27改良型燈泡上市后,才第一次被各界所注意到。

  假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)里L(fēng)ED數(shù)量減少和LED的流明輸出增加時(shí),LED驅(qū)動(dòng)器的效率就會(huì)提高,或者至少跟過(guò)去的設(shè)計(jì)類(lèi)似,然而,卻無(wú)法實(shí)現(xiàn),到底是哪里出問(wèn)題呢?以下將藉由其規(guī)格要求的趨勢(shì)演進(jìn)進(jìn)行說(shuō)明。

 
 電路功率損耗增加 系統(tǒng)穩(wěn)定性成隱憂

  60瓦固態(tài)照明白熾燈改良型燈泡要求包括,115VAC(#177;20%)的輸入電壓、十個(gè)LED串聯(lián) (31~36伏特)的輸出電壓、800流明輸出、350毫安(mA)LED順向電流、12.6瓦最大輸出功率、 目標(biāo)功率85%、美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)等級(jí)B、符合UL8750、壽命大于5萬(wàn)小時(shí)和系統(tǒng)工作溫度50℃。

  而現(xiàn)今的趨勢(shì)是增加LED順向電流,即更高功率,并減少系統(tǒng)內(nèi)的LED數(shù)量。期望的規(guī)格改變包括五個(gè)LED串聯(lián)(15~17伏特)輸出電壓、700毫安LED順向電流、800流明輸出、11.9瓦最大輸出功率及目標(biāo)效率85%。

  雖然輸出功率降低且效率參數(shù)維持在85%,但仍希望每瓦流明量能更大。而現(xiàn)實(shí)中,轉(zhuǎn)換器效率下降非常大,導(dǎo)致每瓦的流明減少,所以須要更為注意的是電路內(nèi)功率損耗已增加,這帶來(lái)一些設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性方面的問(wèn)題,不僅造成能否符合能源之星認(rèn)證的疑慮,由于還須要附加散熱片或包裝材料,因此成本也將隨之增加。
 
 功率損耗隨組件/系統(tǒng)規(guī)格變化

  能量轉(zhuǎn)換階段內(nèi)的損耗可以包括傳導(dǎo)、切換與靜態(tài)損耗三類(lèi)。LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的所有硅裝置和被動(dòng)組件都有電阻,電流通過(guò)電阻傳導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生IRMS2#215;R的功率損耗。選用不同質(zhì)量和類(lèi)型的組件,如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)、二極管及電磁組件,產(chǎn)生的耗損將隨系統(tǒng)規(guī)格不同而變化。

  切換損耗發(fā)生在當(dāng)MOSFET或二極管被開(kāi)啟,其他的MOSFET或二極管卻被關(guān)閉的過(guò)渡時(shí)期。由于一個(gè)轉(zhuǎn)換器在200kHz頻率下工作比在100kHz時(shí)的切換損耗多一倍,所以須要評(píng)估對(duì)操作切換頻率間的折衷方案。在較高頻率的切換所允許的電感系數(shù)比較低,而在特定的規(guī)格下傳導(dǎo)損耗可能也會(huì)較低(較低的RDCR)。此外,靜態(tài)功率損耗和內(nèi)部電路的功率也有所關(guān)系。

  總體來(lái)說(shuō),類(lèi)似的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì),也許可以得到一樣的輸出功率(Pout=Iled#215;Vled-stack),但這取決于系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓以及組件類(lèi)型;系統(tǒng)的效率也會(huì)有很大的不同。

  圖1為典型的脫機(jī)式(AC to Iled)改良型固態(tài)照明燈泡電路,其中,各條件的定義及驅(qū)動(dòng)器功率耗損計(jì)算方式,描述如下:

圖1 關(guān)閉線路(AC至ILED)的改良型固態(tài)照明燈泡優(yōu)化電路圖

D=負(fù)載-周期=


D,,,,,,,,=(1-D)
FSW=切換頻率
Q4啟動(dòng)時(shí)的切換損耗→

Q4傳導(dǎo)損耗→

D4傳導(dǎo)損耗是→

L3電感器傳導(dǎo)損耗→

現(xiàn)在所有主要功率損耗都已計(jì)算出來(lái),可計(jì)算出系統(tǒng)總效率。可用以下方程式表示:


  看到功率損耗方程式后,可對(duì)固態(tài)照明應(yīng)用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設(shè),透過(guò)降低LED數(shù)量并增加系統(tǒng)電流,流明輸出就可符合規(guī)格要求,但效率可能會(huì)降低。因此,應(yīng)該要進(jìn)行詳細(xì)的分析以充分理解設(shè)計(jì)的折衷和功率損耗,但須分析幾點(diǎn)因素,找出系統(tǒng)效率降低的原因。首先包括電感器L3的傳導(dǎo)損耗會(huì)隨著LED順向電流的增加而增加;其次,如果LED順向電流增加,飛輪二極管的切換損耗也會(huì)增加;第三,相對(duì)于MOSFET開(kāi)啟時(shí),在飛輪二極管D4傳導(dǎo)時(shí),其經(jīng)由減少堆棧電壓就可增加時(shí)間比例,高壓(HV)二極管比在MOSFET傳導(dǎo)損耗更大,因此,系統(tǒng)中的電力損耗會(huì)增加;第四,在增加LED電流的情況下,主開(kāi)關(guān)MOSFET Q4上的傳導(dǎo)損耗會(huì)增加。
  規(guī)格、成本還有功能皆是達(dá)到成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而這些都須從系統(tǒng)層級(jí)來(lái)因應(yīng)。業(yè)界正研發(fā)兼具功率和成本效益的LED驅(qū)動(dòng)解決方案,包括LED堆棧電壓(和輸入電壓關(guān)系極小的設(shè)計(jì))。因此,固態(tài)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展已出現(xiàn)明確的方向。

  已有業(yè)者分析過(guò)很多實(shí)驗(yàn)室里不同驅(qū)動(dòng)的配置后,得知較高的順向電流、較少的LED數(shù)量導(dǎo)致客戶在申請(qǐng)能源之星認(rèn)證標(biāo)章時(shí),增加很多的困難。LED制造商知道只關(guān)心單顆LED效率是片面且不夠的,必須了解LED在市場(chǎng)上如何被使用,從而配置好LED來(lái)協(xié)助達(dá)到具體固態(tài)照明解決方案的優(yōu)化才是上策。而用在改良型A19/PAR燈泡上的LED,與應(yīng)用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭,經(jīng)由和不同領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作,LED制造商已為終端應(yīng)用開(kāi)發(fā)出一些特定的LED。
  
從系統(tǒng)層級(jí)考慮設(shè)計(jì) LED應(yīng)用效能大躍進(jìn)

  LED制造商已開(kāi)始開(kāi)發(fā)LED應(yīng)用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進(jìn)行重新配置,此專(zhuān)用LED的優(yōu)點(diǎn)已在改良型燈泡應(yīng)用中得到認(rèn)可。

  原來(lái)的MX-6 LED在一個(gè)模塊里有六個(gè)平行的LED燈源,每個(gè)LED都產(chǎn)生150毫安,總電流高達(dá)1,000毫安,此LED的順向電壓為3.2~3.6伏特。

  而MX-6S LED內(nèi)的兩個(gè)封裝LED是串聯(lián)在一
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