新一代离线式 LED 灯对 LED 驱动器 IC 有更多要求

人们越来越关注使用传统照明方法对环境的影响,同时 LED 价格在不断下降,因此就很多离线式应用而言,大功率 LED 正在迅速成为流行的照明解决方案。高亮度 LED 能节省能源、具有长寿命并对环境有利,这些特点不断促进种类繁多的固态照明 (SSL) 应用的发展。

  背景

  人们越来越关注使用传统照明方法对环境的影响,同时 LED 价格在不断下降,因此就很多离线式应用而言,大功率 LED 正在迅速成为流行的照明解决方案。高亮度 LED 能节省能源、具有长寿命并对环境有利,这些特点不断促进种类繁多的固态照明 (SSL) 应用的发展。因此,LED 的增长率持续加速,应该并不令人意外。到 2010 年末,高亮度 LED 的市场规模达到了 82 亿美元,预计到 2015 年将增长到超过 200 亿美元,年复合增长率为 30.6% (数据来源:Strategies Unlimited)。过去几年,用作高清电视机 (HDTV) 显示器背光照明的 LED 一直是 LED 市场增长的主要驱动力。不过,随着 LED 普通照明应用在商用和住宅环境中引起越来越大的兴趣,LED 的增长将显著加速。

  LED 照明高增长率背后的主要驱动力是,与传统照明方法相比,LED 照明的功耗大幅降低。与白炽灯照明相比,要提供同样的光输出 (以流明为单位),LED 需要的电功率不到白炽灯的 25%。LED 照明还有其他很多优势,但是也有一些与 LED 照明有关的挑战。LED 照明的优势包括工作寿命比白炽灯长数个量级,这极大地降低了更换成本。能利用以前安装的 TRIAC 调光器给 LED 调光,也是一个主要的成本优势,尤其是在住宅照明领域。LED 能即时接通,不像 CFL 那样需要预热时间,而且 LED 对电源周期不敏感,这一点也与 CFL 不同。此外,LED 不含任何需要管理或处置的有毒材料,而 CFL 需要有毒的水银蒸气才能工作。最后,LED 能实现新的、非常扁平的外形尺寸,这是其他技术不可能做得到的。

  可以使用离线式电源

  能用离线式电源驱动 LED 使得 LED 应用得以迅猛增长,因为这种形式的电源在商用和住宅建筑中很容易得到。尽管 LED 灯更换对最终用户来说实行起来相对简单,但是对 LED 驱动器 IC 的新要求却大大增加了。因为 LED 需要良好调节的恒定电流源,以提供恒定量的光输出,所以用 AC 输入电源给 LED 供电需要一些特殊的设计方法,而且有一些非常特殊的设计要求。

  视你在世界上不同地方而不同,离线式电源的范围约为 90VAC 至 265VAC,同时频率范围为 50Hz 至 65Hz。因此,要为全球市场生产 LED 灯,理想情况是可提供无需修改就能适用于世界上任何地方的单一电路设计。这就需要单一 LED 驱动器 IC 能处理多种输入电压和供电频率。

  此外,很多离线式 LED 应用要求 LED 与驱动电路实现电气隔离。这主要是出于安全考虑,也是几个监管机构的要求。电气隔离一般由隔离反激式 LED 驱动器拓扑提供,该拓扑利用一个变压器隔离驱动电路的主端和副端部分。

  采用 LED 照明背后的驱动力是,提供一定量光输出所需的功率极大降低,因此当务之急是,LED 驱动器 IC 要提供最高效率。因为 LED 驱动器电路必须将高压 AC 电源转换为在较低电压时能提供良好调节的 LED 电流,所以 LED 驱动器 IC 必须设计为提供高于 80% 的效率,这样才能不浪费功率。

  此外,为了让 LED 灯可以使用住宅应用中常见的、大量安装的 TRIAC 调光器,LED 驱动器 IC 必须能有效地用这些调光器工作。TRIAC 调光器专为与白炽灯和卤素灯很好地配合工作而设计,这两种灯是理想的阻性负载。然而,LED 驱动器电路一般是非线性的,而且不是纯阻性负载。其输入桥式整流器在 AC 输入电压处于其正和负峰值时通常吸收高强度的峰值电流。因此,LED 驱动器 IC 必须通过设计来“模仿”一个纯阻性负载,以确保 LED 在不产生任何明显闪烁的情况下正确起动,并利用一个 TRIAC 进行适当的调光。

  在 LED 照明中,功率因数校正 (PFC) 是一个重要的性能规格。简言之,如果所吸取的电流与输入电压成正比且同相,那么就可实现等于 1 的功率校正因数。因为白炽灯是一种纯电阻性负载,所有输入电流和输入电压是同相的,PFC 为 1。当 PFC 与本地电源所需电功率大小有关时,PFC 尤其重要。也就是说,在一个电源系统中,就传输相同数量的有用功率而言,功率因数低的负载比功率因数高的负载吸取更大的电流。需要更大的电流会提高配电系统中损失的能量,这又导致需要较粗的导线和其他较大型的传输设备。因为较大型的设备成本高且浪费能量,所以电力公司通常会向功率因数较低的工业或商用客户收取更高的费用。LED 应用的国际标准仍然在开发之中,不过大多数人认为,将要求大部分 LED 照明应用的 PFC》0.90。

  因为 LED 驱动器电路 (包括很多二极管、变压器和电容器) 的表现不会与纯电阻性负载一样,所以其 PFC 可能低至 0.5。为了将 PFC 提高到高于 0.9, 有源或者无源 PFC 电路都必须设计到 LED 驱动器电路中。还应该提到的一点是,在运用大量 LED 照明阵列的应用中,高 PFC 尤其重要。例如,在使用超过几百个 50W LED 灯的停车库中,高 PFC (》 0.95) LED 驱动器设计将是很有利的。

  除了高 PFC 很重要,最大限度地降低 LED 灯的谐波失真度也很重要。国际电工委员会 (International Electrotechnical Commission) 已经制订了 IEC 61000-3-2 C 类照明设备谐波规范,以确保新的 LED 照明系统满足这些低失真要求。

  在照明应用中,能在较宽的线路输入电压、输出电压和温度变化范围内准确调节 LED 电流是至关重要的,因为 LED 亮度的变化必须是人眼难以察觉的。类似地,为了确保 LED 有最长的工作寿命,不用高于其最大额定值的电流驱动 LED 也是很重要的。在隔离反激式应用中调节 LED 电流并不总是很简单,而是常常需要一个光耦合器来闭合所需的反馈环路,或者可能要增加一个额外的转换级。不过,这两种方法都增加了复杂性和可靠性问题。幸运的是,有些 LED IC 驱动器设计采用了新的设计方法,以确保无需这些额外的组件和 / 或增加设计复杂性,就能准确调节 LED 电流。

  要很快从白炽灯过渡到 LED 灯,面临的最大障碍之一是基于 LED 解决方案的成本和尺寸。消费者习惯于支付不到 0.50 美元更换一个 60W 的白炽灯,支付大约 3 美元更换一个同样瓦数的 CFL 灯。支付超过 30 美元更换一个 LED 灯,是消费者要克服的一大障碍。以这样的价格计算,在 LED 的寿命期内,节省的电能和更换成本相比,换成 LED 灯确实有经济意义。不过,大多数消费者不习惯于这样联系起来看问题。一般而言,仓库、停车库等尤其因照明而支付高额能源账单的商业企业会更快地采用 LED 照明,因为费用节省更加明显。随着 LED 灯购买费用的下降,将有更多消费者愿意转向 LED 照明。

  最后,一个同样重要的因素是,LED 照明解决方案的尺寸。很多照明灯都是直接旋进灯座就可以更换的,因此整个 LED 解决方案必须能装进与原来的白炽灯体积和形状相同的空间中。LED 需要一个散热器和一个复杂得多的驱动器电路,所以在与白炽灯体积和形状相同的空间中装入包括这两个部分的整个 LED 解决方案,可能是个挑战。因此,所需要的 LED 驱动器 IC 要能在一个简单、占板面积紧凑的解决方案中提供所有这些需要的功能和特性。

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