可調(diào)光LED燈具設(shè)計需要考慮的技術(shù)問題

　　近年來，隨著LED燈具的出現(xiàn)，照明領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。在歐洲和美國的零售商店，古老的白熾燈泡已難覓蹤跡，甚至禁止銷售。而在替代燈具市場，低功耗的緊湊型熒光燈（CFL）現(xiàn)在面臨著新的競爭對手。led技術(shù)正在不斷改進(jìn)，LED燈具在亮度和功率方面日益強(qiáng)大。這些特性再加上其特有的高能效，使LED燈具成為照明的理想選擇。

　　一般白熾燈泡每瓦能產(chǎn)生10流明，而LED制造商宣稱LED燈具每瓦最高可達(dá)到100流明。然而，外形和最高工作溫度的局限使得LED難以發(fā)揮全部潛力。目前性能最好的LED替代燈具，效率可達(dá)到每瓦50-60流明。因此，LED燈具在效率標(biāo)準(zhǔn)方面與CFL燈具已經(jīng)難分伯仲（注：CFL燈的效率范圍為每瓦60-70流明，且改進(jìn)潛力有限）。

　　生態(tài)問題也日益受到公眾關(guān)注。隨著人們對全球變暖和氣候變化等環(huán)境問題的意識不斷提高，節(jié)約資源和能源的理念正成為很多市場營銷策略的要點。 過去10年間汽車油耗的降低和白熾燈的禁用很好地說明了這一趨勢。全球多國政府已經(jīng)制定白熾燈淘汰的時間表。還有一些公共政策專門為節(jié)能環(huán)保的“生態(tài)”產(chǎn)品提供寬松的稅收支持或其他財務(wù)幫助。

　　LED的內(nèi)在優(yōu)勢非常符合公眾對安全、節(jié)能和環(huán)保照明解決方案的熱切期盼。LED還有許多其他優(yōu)點，如較高的調(diào)光能力、較長的使用壽命和較小的外形尺寸，在外形、顏色、壽命和成本方面打開了方便之門。

　　采用在機(jī)械、光、電和熱等各方面都兼容的LED照明解決方案替代傳統(tǒng)的照明源（熒光燈、CFL節(jié)能燈、鹵素?zé)艋蚱渌谉霟簦┦且粓稣诎l(fā)生的工業(yè)變革。商務(wù)、辦公和住宅照明市場呼喚高質(zhì)量的LED改良燈具。盡管成本問題仍然是這些解決方案的主要障礙，但同時還需要注意以下技術(shù)問題：

　　[1].與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的電氣兼容性，特別在使用標(biāo)準(zhǔn)入墻式插座調(diào)光器時。

　　[2].外形須采用螺口型式

　　[3].必須解決LED的散熱問題

　　1.1 調(diào)光器的兼容性

　　目前，家庭、旅館和辦公場所照明燈具的控制設(shè)備都是針對白熾燈設(shè)計安裝的。提供調(diào)光功能的最好方法是使用“市電切相”調(diào)光器。這種調(diào)光器原理上是為白熾燈供電而開發(fā)的。從電學(xué)方面看，白熾燈可視為一個電阻性負(fù)載。

　　而電子照明源（如CFL節(jié)能燈或LED燈）的電氣等效負(fù)載則不再是純阻性負(fù)載。這樣在調(diào)光器工作方式上就產(chǎn)生了很大的不同。負(fù)載使用不當(dāng)會導(dǎo)致系統(tǒng)功能失常，可能出現(xiàn)令人非常不舒服的閃爍、甚至損壞燈具或調(diào)光器。這樣可能引起用戶不滿，從而推遲采用LED解決方案。目前，調(diào)光器仍然價格昂貴且難以安裝。因此，推出兼容現(xiàn)有調(diào)光器的優(yōu)質(zhì)解決方案成為兌現(xiàn)LED照明推廣承諾的必然。

　　切相調(diào)光器雖然類型各異，但是工作原理基本相同（即在每個周期切掉部分電源正弦波）。這可以通過開關(guān)來實現(xiàn)。開關(guān)接通時，電源就輸送到負(fù)載（燈泡）。開關(guān)斷開時，則不供電。通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間，就可以調(diào)節(jié)供給負(fù)載的總能量。

　　調(diào)光器分為兩類：前沿切相型和后沿切相型。

　　[1].前沿切相調(diào)光器，就是在電源半周期開始時切相。經(jīng)過了與調(diào)光位置相對應(yīng)的一段時間后，開關(guān)才導(dǎo)通為負(fù)載供電直至半周期結(jié)束。經(jīng)過零點后，重復(fù)相同操作。

　　[2].后沿切相調(diào)光器，就是開關(guān)在半周期開始時導(dǎo)通，經(jīng)過與調(diào)光位置相對應(yīng)的一段時間后斷開，并將斷開狀態(tài)保持至半周期結(jié)束。經(jīng)過零點后，重復(fù)相同操作。

　　要完成切相，主要使用兩個技術(shù)：TRIAC（雙向可控硅）開關(guān)或晶體管開關(guān)。TRIAC調(diào)光器多為前沿切相調(diào)光器。晶體管開關(guān)既可以是前沿切相調(diào)光器也可以是后沿切相調(diào)光器。TRIAC調(diào)光器的問題是它需要滿足特殊的條件才能正常工作：TRIAC可以通過觸發(fā)柵極來打開，一旦觸發(fā)，仍需要一個最小的電流來維持其處于導(dǎo)通狀態(tài)。這個觸發(fā)電流被稱為“閂鎖電流”，而且為了保持TRIAC導(dǎo)通，電流必須加載一段時間。 一旦器件被閂鎖，必須有持續(xù)的電流供應(yīng)。這個電流被稱為“保持電流”。如果這個電流斷開或減弱，TRIAC將關(guān)斷。 為了兼容調(diào)光器，LED燈具必須吸收調(diào)光器所需的保持電流。例如，如果一只6W的LED燈（大致相當(dāng)于40W的白熾燈泡）要與一個最小負(fù)載為10W的調(diào)光器配合使用，就需要一些額外電路來提供足夠的保持電流。在這種情況下，燈泡效率會降低，但與40W相比仍然是高效率。如果沒有這個電路，LED燈則無法正常工作。不同調(diào)光器的保持電流有所不同。 因此，額外損耗越大，與調(diào)光器的兼容性就越好?？烧{(diào)光應(yīng)用的設(shè)計難點就在于找到燈具效率和調(diào)光器兼容性之間的最佳權(quán)衡。

　　恩智浦的SSL2101（及其衍生產(chǎn)品SSL2102）有兩個由IC控制的集成泄放開關(guān)。通過外接電阻，可以設(shè)置兩個不同的泄放電流。IC為電流選擇提供了更大的靈活性，并優(yōu)化了調(diào)光器兼容性。SSL2103（SSL2101的僅控制器集成版本）中則去掉了集成的泄放開關(guān)，但可以用低成本的外部雙極型開關(guān)（仍由IC驅(qū)動）代替，可選擇提供更高的泄放電流。同時，該版本還移除用于轉(zhuǎn)換器操作的內(nèi)置MOSFET，但可以進(jìn)行外部修正，從而形成滿足特定調(diào)節(jié)要求的解決方案。

　　1.2 選擇外形尺寸與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系

　　LED燈具本質(zhì)上屬于電流驅(qū)動型。它們的發(fā)光強(qiáng)度大致與通過電流成正比。因此，可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用市電來驅(qū)動。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的關(guān)鍵目標(biāo)之一是確定最終應(yīng)用的外形尺寸。小于15W的低功率LED燈主要針對現(xiàn)有燈具的改良應(yīng)用。這意味著燈泡的形狀必須與現(xiàn)有傳統(tǒng)燈具相近。 目前市售產(chǎn)品主要采用下面三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

　　1.2.1 LED與電阻串聯(lián)

　　LED與電阻串聯(lián)，電阻與市電直接相連。這種拓?fù)渥詈唵?。只要電源電壓高于二極管正向電壓之和，LED即導(dǎo)通。LED的最大電流由電阻值決定：

　　其中n是LED的數(shù)量， Vf是其正向電壓。

　　這個解決方案簡單但效率不高。例如，一個12W的應(yīng)用，其LED的最大電流可能達(dá)500 mA?？傉螂妷簩?4V。對于220V的交流市電，所需電阻值為574?。這個電阻在電流為500mA時將消耗143W功率。當(dāng)然，我們可以考慮使用低電流二極管，但達(dá)到相同功率所需的Vf更高。這樣做的直接后果是，開啟時間大幅縮短，且會出現(xiàn)閃爍。

　　1.2.2 降壓式拓?fù)?/P>

　　[2] 降壓式拓?fù)涫亲罡咝У耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。其基本原理如圖5所示。

圖5 降壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理

　　當(dāng)開關(guān)接通時，電流流過LED線圈并發(fā)光。為了控制電流值，一個傳感器電阻與地串聯(lián)。通過檢測該電阻上的電壓，當(dāng)其達(dá)到過流保護(hù)（OCP）值時，開關(guān)會斷開。線圈中存儲的能量則通過續(xù)流二極管和LED釋放。

　　這種拓?fù)溆袃纱髢?yōu)點：

　　[1].首先是效率非常高，特別是低功率應(yīng)用時（小于10W）。使用這種拓?fù)涞腖ED普通照明燈通常宣稱其效率高于90%。

　　[2].第二個優(yōu)點是外形尺寸?？傮w外形尺寸對于燈具改良市場非常重要，因為最終的產(chǎn)品外形必須與傳統(tǒng)白熾燈或鹵素?zé)舢a(chǎn)品相近。降壓式拓?fù)洳皇褂米儔浩骰蚬怦钇骷?，因此線圈相對較小，特別在開關(guān)頻率相對較高時尤其如此。

　　這種拓?fù)湟灿袃蓚€主要缺點

　　[1].這種拓?fù)涞闹饕秉c是不提供任何電氣隔離。考慮到散熱因素，LED通常安裝在金屬散熱器上。這樣，出于安全原因，會強(qiáng)制要求電氣隔離。

　　[2].第二個缺點是LED與線圈串聯(lián)。這樣就需要在二極管的總正向電壓與轉(zhuǎn)換器的最大損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。如果輸入和輸出之間壓差過大，就會降低效率。

　　1.2.3 反激拓?fù)?/P>

　　反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，線圈由變壓器代替，LED連接到變壓器的次級端，如圖6所示。

圖6. 反激式拓?fù)湓韴D

　　當(dāng)開關(guān)接通時，電流流過變壓器，而變壓器次級端上的二極管處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)斷開時，次級端二極管開始導(dǎo)通，電流流過二極管并發(fā)光。

　　反激式拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點是LED與變壓器的次級端相連。由于可以選擇繞線匝數(shù)比，所以不需要在LED的數(shù)量和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)行電隔離，因而設(shè)備的安全性提高了，VCC的產(chǎn)生也更為簡單。還可以給變壓器增加一個輔助繞組線圈，這樣就能為控制器提供電源。

　　就改良市場而言，這種拓?fù)渲饕娜秉c是其應(yīng)用的實際尺寸較大。變壓器（如需反饋則可能添加光耦）占用了大量空間。一些控制器，如SSL210x系列，可以同時兼容降壓式和反激式拓?fù)?。根?jù)需求不同，如當(dāng)需要安全性和良好的散熱性能時，可以采用非常緊湊的降壓式應(yīng)用；如果要求LED功率很高或有電隔離，則可以使用反激式拓?fù)?。為了獲得更小的外形尺寸，SSL2101和SSL2102均集成了功率開關(guān)。

　　1.3 調(diào)光

　　LED很容易進(jìn)行調(diào)光。其發(fā)光強(qiáng)度大致與供電電流成正比。只要降低平均電流，發(fā)出的光能就會減少。然而，要設(shè)計一個調(diào)光拓?fù)鋭t比較復(fù)雜，需要使用不同的技術(shù)，如PWM調(diào)光、調(diào)頻或者I峰值調(diào)制。

　　[1].使用PWM調(diào)光時，輸送至LED的瞬間電流只有兩個值：0或I最大值

　　– 當(dāng)PWM=0時，ILED= 0 A

　　– 當(dāng)PWM=1時，ILED = I最大值

　　通過調(diào)整PWM信號的占空比，可以改變LED平均電流。這種技術(shù)要求轉(zhuǎn)換器扮演類似于快速切換電流源的角色。這種技術(shù)的目標(biāo)是容納大電流并保持精確控制。開關(guān)損耗可能很高，特別是對于深度調(diào)光。

　　[2].使用調(diào)頻時，最大LED電流不變，但是轉(zhuǎn)換器的頻率會改變。換言之，轉(zhuǎn)換器每個周期內(nèi)輸送至LED的能量是相同的，但是每秒鐘的周期數(shù)量是變化的。調(diào)頻的問題是在最小頻率變得很低時會產(chǎn)生噪聲，而在最大頻率變得很高時會產(chǎn)生巨大的開關(guān)損耗。這些因素會增加深度調(diào)光的難度。

　　[3].使用I峰值調(diào)制時，控制器頻率是固定的，但電源開關(guān)的開啟時間是變化的。因此，LED的最大電流I峰值是變化的。換言之，每秒鐘的周期數(shù)是不變的，但是每個周期輸送至LED的能量會減少。采用該技術(shù)進(jìn)行深度調(diào)光時，要求脈沖必須非常小。由于開關(guān)損耗過大，一般不推薦使用這種方式。

　　一些控制器，如SSL2101及其衍生產(chǎn)品(SSL2102/03)，可以將調(diào)頻和I峰值調(diào)制結(jié)合使用。這樣可以將每種方法的缺點降至最低。在全功率時，可以優(yōu)化開關(guān)頻率來限制開關(guān)損耗。在調(diào)光狀態(tài)下，同時降低I峰值和頻率可以避免開啟時間過短以及頻率過低。因此，其調(diào)光水平可以低于1%。

　　1.4 壽命

　　LED的使用壽命較長是其主要優(yōu)點，其宣稱壽命可達(dá)5萬小時。這個值比節(jié)能燈壽命要高出許多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)白熾燈的壽命。然而，LED不能單獨使用（如上所述），需要其他器件提供驅(qū)動。在半導(dǎo)體行業(yè)，壽命測試的標(biāo)準(zhǔn)是1000小時。根據(jù)最終應(yīng)用的工作溫度不同，也采用一些系數(shù)用于器件壽命的估算。這1000小時的測試不足以確保所估算的壽命，還必須進(jìn)行加速壽命測試來確?？刂破鞯膲勖cLED的壽命相當(dāng)。

　　SSL210x系列產(chǎn)品成功通過了結(jié)溫為150？C的8000小時壽命測試。根據(jù)最終應(yīng)用中實際結(jié)溫不同，估計壽命在115°C時可以達(dá)到4.5萬小時，在105°C時可以達(dá)到7.5萬小時。這些值足以支持“SSL210x系列產(chǎn)品可與LED同壽”的宣稱。

　　1.5 結(jié)論

　　就數(shù)量而言，LED照明燈具目前在普通照明市場上仍然是少數(shù)。然而，隨著市場逐漸升溫，LED解決方案在未來幾年必然逐漸占據(jù)市場主導(dǎo)地位。本文討論了可調(diào)光LED照明應(yīng)用的幾個方面。降壓式和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是兩種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓式拓?fù)錇榈凸膽?yīng)用提供了非常緊湊和高效的解決方案，而反激式拓?fù)溆捎诰哂袃?nèi)部電隔離，對于要求安全和靈活的系統(tǒng)仍然是最佳選擇。 調(diào)光器兼容性和調(diào)光范圍是兩個具有挑戰(zhàn)的特性。圍繞相關(guān)問題對各種選擇加以權(quán)衡將是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。 當(dāng)前，恩智浦提供的SSL210X系列產(chǎn)品幾乎覆蓋了改良市場可調(diào)光應(yīng)用的所有可能，因而可以針對每個設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最佳的解決方案。