高效率的LED照明電源設(shè)計(jì)

led最初的商業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)在上世紀(jì)七十年代，但因其光輸出極低，應(yīng)用范圍也僅限于指示燈和計(jì)算器顯示屏等領(lǐng)域。如今，能夠產(chǎn)生白光的高功率LED在效率方面不斷得以提升，價(jià)格也在逐年下降，因此它已成為主流照明應(yīng)用值得考慮的選擇之一。預(yù)計(jì)隨著LED技術(shù)的發(fā)展，到2012年其發(fā)光效率將達(dá)到150流明/瓦，1000流明的成本將不足5美元(資料來(lái)源：OIDA)，屆時(shí)LED有望成為室內(nèi)照明的主要來(lái)源。

正是由于認(rèn)識(shí)到使用LED來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)燈泡替換的目標(biāo)是完全可行的，也為了往減少住宅、辦公場(chǎng)所、工廠和市政建筑中照明能源消耗的道路上邁出非常重要的一步，美國(guó)國(guó)會(huì)專門(mén)設(shè)立了一項(xiàng)1,000萬(wàn)美元的巨額大獎(jiǎng)，用來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)第一家開(kāi)發(fā)出60瓦白熾燈替換燈具(在標(biāo)準(zhǔn) A19燈泡中使用LED)的公司或者個(gè)人。該獎(jiǎng)項(xiàng)是“點(diǎn)亮明天照明獎(jiǎng)”(Bright Tomorrow Lighting Prizes)的分項(xiàng)獎(jiǎng)，而“點(diǎn)亮明天照明獎(jiǎng)”正是最近剛成為美國(guó)正式法律的《能源獨(dú)立和安全法案》的組成部分。該獎(jiǎng)項(xiàng)一旦落定，美國(guó)政府采購(gòu)辦公室就必須采購(gòu)此類LED燈泡并在所有政府辦公場(chǎng)所中使用。

不過(guò)，要想摘取該獎(jiǎng)項(xiàng)，設(shè)計(jì)必須達(dá)到以下條件：燈泡必須能夠產(chǎn)生900流明的光；功耗低于10瓦(發(fā)光效率大于90流明/瓦)；相對(duì)色溫(CCT)必須介于2750K至3000K之間；預(yù)期工作壽命要達(dá)到25,000小時(shí)以上，且流明維持率為70%；燈泡必須能批量生產(chǎn)和大量銷售。

因此，有意角逐此獎(jiǎng)項(xiàng)的設(shè)計(jì)工程師所面臨的主要問(wèn)題是，設(shè)計(jì)出的電源必須能高效率地驅(qū)動(dòng)LED，使之達(dá)到所需的亮度，而且在滿足EMC法規(guī)要求的同事，電路板的體積要足夠小，以便裝入普通燈具。由于必須在LED技術(shù)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面取得重大突破，所以無(wú)論誰(shuí)成為1000萬(wàn)大獎(jiǎng)的最終得主，都將當(dāng)之無(wú)愧。LED目前所達(dá)到的最高發(fā)光效率大約為75流明/瓦，但LED制造商正在取得很大進(jìn)展，一旦LED的發(fā)光效率達(dá)到100流明/瓦的水平，LED燈將能實(shí)現(xiàn)90流明/瓦的目標(biāo)。然而，這仍要使用能效為90%、非常緊湊的電源。

Power Integrations公司現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出能夠裝入燈泡外殼的電源方案，其能效超過(guò)90%，成本低且適合大量生產(chǎn)。本文討論的一款基于Power Integrations公司的LNK306PN的10W電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，不僅其工作效率高達(dá)91%以上，能提供恒定的LED電流，而且能滿足EMI要求。

高效電源是成功開(kāi)發(fā)白熾燈替換方案的必要因素，但首先會(huì)面臨散熱問(wèn)題。例如，效率為70%的電源會(huì)將30%的電能轉(zhuǎn)換為熱能，除非將熱量散發(fā)出去，否則燈泡溫度的陸續(xù)上升將會(huì)大幅降低LED和電源的使用壽命。更重要的是，使用高效電源是盡量減少所謂的“照明總成本”的一個(gè)基本要求。照明總成本包括燈泡(以及更換燈泡)的初始成本和消耗電能的成本構(gòu)成。如果LED燈制造商希望在LED燈市場(chǎng)上占取一定份額，他們就必須證明其LED燈與同類產(chǎn)品相比具有較低的總體成本。如圖1所示，即使LED的電源效率提高1%，節(jié)能效果也非常明顯。

圖1：LED的電源效率即使提高1%，也會(huì)帶來(lái)非常明顯的節(jié)能效果。

如果電源效率提高1%，10W LED燈(相當(dāng)于60W白熾燈)將節(jié)省0.42美元的電費(fèi)。因此，如果電源效率提高10%，則一個(gè)1,000流明LED燈在其工作壽命期間所節(jié)省的總成本將抵消其初始成本，這樣LED燈的“照明總成本”就會(huì)低于白熾燈的“照明總成本”。

下文描述的電源設(shè)計(jì)采用了最少的元件數(shù)量，但在所有工作條件下的效率均超過(guò)90%。優(yōu)化電效率的簡(jiǎn)單方法是盡量提高電壓和降低電流。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要串聯(lián)連接LED，并使用70V/135mA的降壓式電源(圖2)。此設(shè)計(jì)大約需要20個(gè)LED。不過(guò)，如果使用大量的低電流LED而不是少量的高電流器件，將改善光在所有方向上的傳播效果，并使任何一個(gè)LED的功率消耗保持在較低的可控水平，從而降低燈的溫升，以延長(zhǎng)燈的使用壽命并提高發(fā)光效率。

圖2：驅(qū)動(dòng)LED陣列的70V、9W恒流降壓式轉(zhuǎn)換器電路圖。

該電源設(shè)計(jì)在低壓側(cè)降壓式配置中采用了一個(gè)LinkSwitch-TN器件，可以在90~132V的AC輸入電壓下提供130mA恒定電流和70V直流輸出電壓。(這個(gè)電源非常適合驅(qū)動(dòng)必須采用恒流而不是恒壓驅(qū)動(dòng)的LED。)

在這個(gè)電源設(shè)計(jì)中，在輸入端進(jìn)行濾波可減少傳導(dǎo)EMI，全波整流器將在C2上生成直流電壓。負(fù)載J2、電感L2和開(kāi)關(guān)控制器U1串聯(lián)連接在一起。LinkSwitch-TN器件(U1)在單片IC上集成了一個(gè)700V的功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制電路、高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)電路、逐周期限流器以及熱關(guān)斷電路。

通過(guò)LinkSwitch-TN的開(kāi)關(guān)控制電路可以保持輸出穩(wěn)壓，從而可以根據(jù)電壓變化和負(fù)載狀況對(duì)開(kāi)關(guān)周期進(jìn)行使能和禁止(跳過(guò))。在正常工作期間，如果從光耦合器U2的晶體管饋入反饋(FB)引腳的電流超過(guò)49μA，則將跳過(guò)整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。每個(gè)導(dǎo)通周期開(kāi)始時(shí)FB引腳進(jìn)行采樣，以確定是否要跳過(guò)該周期。

在U1導(dǎo)通期間，電流流經(jīng)電容C4、負(fù)載(70V LED串)以及電感L2。除了向負(fù)載提供一部分能量外，該電流還使L2儲(chǔ)存一定能量。在U1關(guān)斷期間，L2的極性反向，以試圖維持電流。反向極性為續(xù)流二極管D5提供前向偏置，以保持電流流動(dòng)并持續(xù)為C4和負(fù)載提供能量。電阻R4被用作電流檢測(cè)元件，R4上的電壓還會(huì)出現(xiàn)在R3和光耦二極管U2A之間，以便為U1提供電流控制反饋。

該電源不僅能滿足EN55022B對(duì)傳導(dǎo)EMI的限制(EMI裕量大于10dBμV)，還可以在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)達(dá)到90%以上的效率(圖3)。220V輸入電壓電源也具有類似性能。

圖3：效率隨輸入電壓的變化曲線。

隨著未來(lái)LED效率的提高，這個(gè)電源設(shè)計(jì)允許設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)用來(lái)替換白熾燈、輸入功率僅為10W而能為L(zhǎng)ED提供9W功率的LED燈具。一旦輸出效率為100流明/瓦的LED實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，美國(guó)國(guó)會(huì)的此項(xiàng)大獎(jiǎng)垂手可得。