導讀: 本文主要討論了照明技術(shù)、特別是可調光LED燈具的發(fā)展變化，解釋了需要考慮的權衡折衷并提供了相關(guān)示例。
近年來(lái)，隨著(zhù)LED燈具的出現，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(xiāo)售。而在替代燈具市場(chǎng)，低功耗的緊湊型熒光燈（CFL）現在面臨著(zhù)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(chēng)LED燈具每瓦最高可達到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，效率可達到每瓦50-60流明。因此，LED燈具在效率標準方面與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(wèn)題也日益受到公眾關(guān)注。隨著(zhù)人們對全球變暖和氣候變化等環(huán)境問(wèn)題的意識不斷提高，節約資源和能源的理念正成為很多市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)策略的要點(diǎn)。 過(guò)去10年間汽車(chē)油耗的降低和白熾燈的禁用很好地說(shuō)明了這一趨勢。全球多國政府已經(jīng)制定白熾燈淘汰的時(shí)間表。還有一些公共政策專(zhuān)門(mén)為節能環(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的內在優(yōu)勢非常符合公眾對安全、節能和環(huán)保照明解決方案的熱切期盼。LED還有許多其他優(yōu)點(diǎn)，如較高的調光能力、較長(cháng)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(kāi)了方便之門(mén)。
采用在機械、光、電和熱等各方面都兼容的LED照明解決方案替代傳統的照明源（熒光燈、CFL節能燈、鹵素燈或其它白熾燈）是一場(chǎng)正在發(fā)生的工業(yè)變革。商務(wù)、辦公和住宅照明市場(chǎng)呼喚高質(zhì)量的LED改良燈具。盡管成本問(wèn)題仍然是這些解決方案的主要障礙，但同時(shí)還需要注意以下技術(shù)問(wèn)題：
[1].與現有基礎設施的電氣兼容性，特別在使用標準入墻式插座調光器時(shí)。
[2].外形須采用螺口型式
[3].必須解決LED的散熱問(wèn)題
1.1 調光器的兼容性
目前，家庭、旅館和辦公場(chǎng)所照明燈具的控制設備都是針對白熾燈設計安裝的。提供調光功能的最好方法是使用“市電切相”調光器。這種調光器原理上是為白熾燈供電而開(kāi)發(fā)的。從電學(xué)方面看，白熾燈可視為一個(gè)電阻性負載。
而電子照明源（如CFL節能燈或LED燈）的電氣等效負載則不再是純阻性負載。這樣在調光器工作方式上就產(chǎn)生了很大的不同。負載使用不當會(huì )導致系統功能失常，可能出現令人非常不舒服的閃爍、甚至損壞燈具或調光器。這樣可能引起用戶(hù)不滿(mǎn)，從而推遲采用LED解決方案。目前，調光器仍然價(jià)格昂貴且難以安裝。因此，推出兼容現有調光器的優(yōu)質(zhì)解決方案成為兌現LED照明推廣承諾的必然。
切相調光器雖然類(lèi)型各異，但是工作原理基本相同（即在每個(gè)周期切掉部分電源正弦波）。這可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源就輸送到負載（燈泡）。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則不供電。通過(guò)調節開(kāi)關(guān)導通時(shí)間，就可以調節供給負載的總能量。
調光器分為兩類(lèi)：前沿切相型和后沿切相型。
[1].前沿切相調光器，就是在電源半周期開(kāi)始時(shí)切相。經(jīng)過(guò)了與調光位置相對應的一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)才導通為負載供電直至半周期結束。經(jīng)過(guò)零點(diǎn)后，重復相同操作。
[2].后沿切相調光器，就是開(kāi)關(guān)在半周期開(kāi)始時(shí)導通，經(jīng)過(guò)與調光位置相對應的一段時(shí)間后斷開(kāi)，并將斷開(kāi)狀態(tài)保持至半周期結束。經(jīng)過(guò)零點(diǎn)后，重復相同操作。
要完成切相，主要使用兩個(gè)技術(shù)：TRIAC（雙向可控硅）開(kāi)關(guān)或晶體管開(kāi)關(guān)。TRIAC調光器多為前沿切相調光器。晶體管開(kāi)關(guān)既可以是前沿切相調光器也可以是后沿切相調光器。TRIAC調光器的問(wèn)題是它需要滿(mǎn)足特殊的條件才能正常工作：TRIAC可以通過(guò)觸發(fā)柵極來(lái)打開(kāi)，一旦觸發(fā)，仍需要一個(gè)最小的電流來(lái)維持其處于導通狀態(tài)。這個(gè)觸發(fā)電流被稱(chēng)為“閂鎖電流”，而且為了保持TRIAC導通，電流必須加載一段時(shí)間。 一旦器件被閂鎖，必須有持續的電流供應。這個(gè)電流被稱(chēng)為“保持電流”。如果這個(gè)電流斷開(kāi)或減弱，TRIAC將關(guān)斷。 為了兼容調光器，LED燈具必須吸收調光器所需的保持電流。例如，如果一只6W的LED燈（大致相當于40W的白熾燈泡）要與一個(gè)最小負載為10W的調光器配合使用，就需要一些額外電路來(lái)提供足夠的保持電流。在這種情況下，燈泡效率會(huì )降低，但與40W相比仍然是高效率。如果沒(méi)有這個(gè)電路，LED燈則無(wú)法正常工作。不同調光器的保持電流有所不同。 因此，額外損耗越大，與調光器的兼容性就越好�？烧{光應用的設計難點(diǎn)就在于找到燈具效率和調光器兼容性之間的最佳權衡。
恩智浦的SSL2101（及其衍生產(chǎn)品SSL2102）有兩個(gè)由IC控制的集成泄放開(kāi)關(guān)。通過(guò)外接電阻，可以設置兩個(gè)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(kāi)關(guān)，但可以用低成本的外部雙極型開(kāi)關(guān)（仍由IC驅動(dòng)）代替，可選擇提供更高的泄放電流。同時(shí)，該版本還移除用于轉換器操作的內置MOSFET，但可以進(jìn)行外部修正，從而形成滿(mǎn)足特定調節要求的解決方案。
1.2 選擇外形尺寸與拓撲結構的關(guān)系
LED燈具本質(zhì)上屬于電流驅動(dòng)型。它們的發(fā)光強度大致與通過(guò)電流成正比。因此，可以采用不同的拓撲結構使用市電來(lái)驅動(dòng)。拓撲結構選擇的關(guān)鍵目標之一是確定最終應用的外形尺寸。小于15W的低功率LED燈主要針對現有燈具的改良應用。這意味著(zhù)燈泡的形狀必須與現有傳統燈具相近。 目前市售產(chǎn)品主要采用下面三種拓撲結構：
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。這種拓撲最簡(jiǎn)單。只要電源電壓高于二極管正向電壓之和，LED即導通。LED的最大電流由電阻值決定：
其中n是LED的數量， Vf是其正向電壓。
這個(gè)解決方案簡(jiǎn)單但效率不高。例如，一個(gè)12W的應用，其LED的最大電流可能達500 mA�？傉螂妷簩�24V。對于220V的交流市電，所需電阻值為574?。這個(gè)電阻在電流為500mA時(shí)將消耗143W功率。當然，我們可以考慮使用低電流二極管，但達到相同功率所需的Vf更高。這樣做的直接后果是，開(kāi)啟時(shí)間大幅縮短，且會(huì )出現閃爍。
1.2.2 降壓式拓撲
[2] 降壓式拓撲是最高效的拓撲結構之一。其基本原理如圖5所示。
圖5 降壓式拓撲結構原理
當開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電流流過(guò)LED線(xiàn)圈并發(fā)光。為了控制電流值，一個(gè)傳感器電阻與地串聯(lián)。通過(guò)檢測該電阻上的電壓，當其達到過(guò)流保護（OCP）值時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì )斷開(kāi)。線(xiàn)圈中存儲的能量則通過(guò)續流二極管和LED釋放。
這種拓撲有兩大優(yōu)點(diǎn)：
[1].首先是效率非常高，特別是低功率應用時(shí)（小于10W）。使用這種拓撲的LED普通照明燈通常宣稱(chēng)其效率高于90%。
[2].第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸�？傮w外形尺寸對于燈具改良市場(chǎng)非常重要，因為最終的產(chǎn)品外形必須與傳統白熾燈或鹵素燈產(chǎn)品相近。降壓式拓撲不使用變壓器或光耦器件，因此線(xiàn)圈相對較小，特別在開(kāi)關(guān)頻率相對較高時(shí)尤其如此。
這種拓撲也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)
[1].這種拓撲的主要缺點(diǎn)是不提供任何電氣隔離�？紤]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(huì )強制要求電氣隔離。
[2].第二個(gè)缺點(diǎn)是LED與線(xiàn)圈串聯(lián)。這樣就需要在二極管的總正向電壓與轉換器的最大損耗之間進(jìn)行權衡。如果輸入和輸出之間壓差過(guò)大，就會(huì )降低效率。
1.2.3 反激拓撲
反激式拓撲結構中，線(xiàn)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. 反激式拓撲原理圖
當開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電流流過(guò)變壓器，而變壓器次級端上的二極管處于阻斷狀態(tài)。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，次級端二極管開(kāi)始導通，電流流過(guò)二極管并發(fā)光。
反激式拓撲的主要優(yōu)點(diǎn)是LED與變壓器的次級端相連。由于可以選擇繞線(xiàn)匝數比，所以不需要在LED的數量和效率之間進(jìn)行權衡。這樣的拓撲結構可以進(jìn)行電隔離，因而設備的安全性提高了，VCC的產(chǎn)生也更為簡(jiǎn)單。還可以給變壓器增加一個(gè)輔助繞組線(xiàn)圈，這樣就能為控制器提供電源。
就改良市場(chǎng)而言，這種拓撲主要的缺點(diǎn)是其應用的實(shí)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(shí)兼容降壓式和反激式拓撲。根據需求不同，如當需要安全性和良好的散熱性能時(shí)，可以采用非常緊湊的降壓式應用；如果要求LED功率很高或有電隔離，則可以使用反激式拓撲。為了獲得更小的外形尺寸，SSL2101和SSL2102均集成了功率開(kāi)關(guān)。
1.3 調光
LED很容易進(jìn)行調光。其發(fā)光強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(huì )減少。然而，要設計一個(gè)調光拓撲則比較復雜，需要使用不同的技術(shù)，如PWM調光、調頻或者I峰值調制。
[1].使用PWM調光時(shí)，輸送至LED的瞬間電流只有兩個(gè)值：0或I最大值
– 當PWM=0時(shí)，ILED= 0 A
– 當PWM=1時(shí)，ILED = I最大值
通過(guò)調整PWM信號的占空比，可以改變LED平均電流。這種技術(shù)要求轉換器扮演類(lèi)似于快速切換電流源的角色。這種技術(shù)的目標是容納大電流并保持精確控制。開(kāi)關(guān)損耗可能很高，特別是對于深度調光。
[2].使用調頻時(shí)，最大LED電流不變，但是轉換器的頻率會(huì )改變。換言之，轉換器每個(gè)周期內輸送至LED的能量是相同的，但是每秒鐘的周期數量是變化的。調頻的問(wèn)題是在最小頻率變得很低時(shí)會(huì )產(chǎn)生噪聲，而在最大頻率變得很高時(shí)會(huì )產(chǎn)生巨大的開(kāi)關(guān)損耗。這些因素會(huì )增加深度調光的難度。
[3].使用I峰值調制時(shí)，控制器頻率是固定的，但電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間是變化的。因此，LED的最大電流I峰值是變化的。換言之，每秒鐘的周期數是不變的，但是每個(gè)周期輸送至LED的能量會(huì )減少。采用該技術(shù)進(jìn)行深度調光時(shí)，要求脈沖必須非常小。由于開(kāi)關(guān)損耗過(guò)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)，可以將調頻和I峰值調制結合使用。這樣可以將每種方法的缺點(diǎn)降至最低。在全功率時(shí)，可以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)頻率來(lái)限制開(kāi)關(guān)損耗。在調光狀態(tài)下，同時(shí)降低I峰值和頻率可以避免開(kāi)啟時(shí)間過(guò)短以及頻率過(guò)低。因此，其調光水平可以低于1%。
1.4 壽命
LED的使用壽命較長(cháng)是其主要優(yōu)點(diǎn)，其宣稱(chēng)壽命可達5萬(wàn)小時(shí)。這個(gè)值比節能燈壽命要高出許多，遠遠超過(guò)了傳統白熾燈的壽命。然而，LED不能單獨使用（如上所述），需要其他器件提供驅動(dòng)。在半導體行業(yè)，壽命測試的標準是1000小時(shí)。根據最終應用的工作溫度不同，也采用一些系數用于器件壽命的估算。這1000小時(shí)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(lái)確�？刂破鞯膲勖cLED的壽命相當。
SSL210x系列產(chǎn)品成功通過(guò)了結溫為150？C的8000小時(shí)壽命測試。根據最終應用中實(shí)際結溫不同，估計壽命在115°C時(shí)可以達到4.5萬(wàn)小時(shí)，在105°C時(shí)可以達到7.5萬(wàn)小時(shí)。這些值足以支持“SSL210x系列產(chǎn)品可與LED同壽”的宣稱(chēng)。
1.5 結論
就數量而言，LED照明燈具目前在普通照明市場(chǎng)上仍然是少數。然而，隨著(zhù)市場(chǎng)逐漸升溫，LED解決方案在未來(lái)幾年必然逐漸占據市場(chǎng)主導地位。本文討論了可調光LED照明應用的幾個(gè)方面。降壓式和反激式拓撲結構是兩種常用拓撲結構。降壓式拓撲為低功耗應用提供了非常緊湊和高效的解決方案，而反激式拓撲由于具有內部電隔離，對于要求安全和靈活的系統仍然是最佳選擇。 調光器兼容性和調光范圍是兩個(gè)具有挑戰的特性。圍繞相關(guān)問(wèn)題對各種選擇加以權衡將是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。 當前，恩智浦提供的SSL210X系列產(chǎn)品幾乎覆蓋了改良市場(chǎng)可調光應用的所有可能，因而可以針對每個(gè)設計進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最佳的解決方案。 |
