大小功率LED照明設(shè)計方案

LED照明應(yīng)用的主要設(shè)計挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：散熱、高效率、低成本、調(diào)光無閃爍、大范圍調(diào)光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰(zhàn)需要綜合運用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機械設(shè)計才能解決。

Diodes公司亞太區(qū)技術(shù)市場總監(jiān)梁后權(quán)指出：“對設(shè)計師來說，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)將是高效率要求、光學(xué)設(shè)計、熱管理和提高某些應(yīng)用的可靠性，如高亮度LED街燈。我們現(xiàn)在提供的一系列LED照明解決方案覆蓋從0.1W到250W的應(yīng)用。”

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Diodes公司亞太區(qū)技術(shù)市場總監(jiān)梁后權(quán)

“在LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用中，除了選擇合適的LED產(chǎn)品，一個完整的LED照明設(shè)計還要包括光學(xué)設(shè)計、熱設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計和電氣驅(qū)動設(shè)計。由于LED是低壓器件，因此將高壓交流供電轉(zhuǎn)換為LED使用的低壓恒流驅(qū)動將面臨許多挑戰(zhàn)。”安森美半導(dǎo)體中國區(qū)高級應(yīng)用經(jīng)理鄭宗前指出：“進一步說，為了保證LED照明的優(yōu)勢，LED電氣驅(qū)動必須是可靠的、高效率的、安全的和低成本的。因此，針對不同的LED照明的應(yīng)用，首先需要選擇正確的驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。”安森美半導(dǎo)體現(xiàn)可以提供從1W到500W功率范圍內(nèi)的全部LED照明解決方案。

安森美半導(dǎo)體中國區(qū)高級應(yīng)用經(jīng)理鄭宗前

為了快速推動LED照明市場的起飛，美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)最近瞄準(zhǔn)了一塊非常龐大的白熾燈直接替代市場，即用LED燈直接替代現(xiàn)有家庭或其他應(yīng)用市場中的白熾燈，并推出了一款針對該市場的直接市電輸入LED驅(qū)動芯片LM3445。

不過，NSC亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理吳志民表示：“白熾燈電燈已面世很多年，對于許多多年未改的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們的家居照明系統(tǒng)一直也在沿用許多多年未改的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這個情況并非一朝一夕可以改變過來。例如，基于散熱及照明角度等問題，原有的舊式電燈插座或裝置并不適宜用來安裝LED燈泡。但除了技術(shù)問題之外，成本效益也亦是使LED燈無法普及的最大原因。鎢絲燈泡及霓虹光管的售價約為US$0.6-0.7/Klm，但目前LED燈的售價仍然高達US$40-50/Klm。”

?NSC亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理吳志民?

正如以上所說，由于LED燈必須能夠裝設(shè)在原有的舊式插座之內(nèi)，因此散熱是一個必須克服的大問題。但嚴(yán)格來說，這可以利用機械工程技術(shù)解決的問題，LED系統(tǒng)生產(chǎn)商的責(zé)任是努力開發(fā)新技術(shù)，盡量提高LED的亮度(即每單位功率產(chǎn)生的流明量)。吳志民自信地說：“我們可以提供功效效率最高的LED驅(qū)動器，以確保可將整個燈光系統(tǒng)的散熱量減至最少。”

LED的相對高成本是LED照明市場目前仍難以大規(guī)模起飛的主要障礙。例如，英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer就說：“大多數(shù)小于25W的典型LED照明應(yīng)用是標(biāo)志燈、標(biāo)識燈、以及替代標(biāo)準(zhǔn)的白熾燈和鹵素?zé)簟５c現(xiàn)有的熒光燈和白熾燈技術(shù)相比，LED初始成本仍然是進入大眾市場的一個主要障礙。”
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英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer

Cytech產(chǎn)品及設(shè)計部工程師徐瑞包也認(rèn)同主要商業(yè)化挑戰(zhàn)是成本。他說：“目前各種功率的LED照明系統(tǒng)在電路上都是可以實現(xiàn)的，技術(shù)挑戰(zhàn)來自于終端應(yīng)用的要求，比如應(yīng)用于汽車，要考慮到光學(xué)設(shè)計以及整體散熱設(shè)計等。商業(yè)化部署的挑戰(zhàn)則主要來自于LED成本。”

LED照明設(shè)計的散熱考慮

25W以下的LED照明系統(tǒng)一般設(shè)計用于像閱讀臺燈、走廊燈、客廳射燈、家用餐燈、小夜燈等應(yīng)用，客戶一般希望這類應(yīng)用設(shè)計得越小巧越好，因此其PCB能安放的設(shè)計空間相對來說比較小，因此長時間使用時封裝空間內(nèi)的溫度有可能會很高。由于設(shè)計師不太可能在其內(nèi)安裝一個散熱風(fēng)扇，因此它的散熱設(shè)計就變得非常關(guān)鍵和重要。

“大多數(shù)小于25W的低功率LED照明應(yīng)用要求一定程度的小型化。這常常導(dǎo)致更高的功率密度，盡管功耗不是很大。足夠的散熱管理措施必須通過改進的機械結(jié)構(gòu)提供。此外，高電氣效率有助于降低功耗。”Alexander Sommer指出，“如果需要進一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到，因為它可以實現(xiàn)最高效率的熱傳遞。這些方法也允許實現(xiàn)優(yōu)化的流明輸出。”

另一種防止LED長時間工作過熱問題的思路是采用調(diào)光解決方案。飛兆半導(dǎo)體公司高壓IC產(chǎn)品行銷經(jīng)理SangCheol Her表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調(diào)光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調(diào)光控制器來實現(xiàn)。尤其是對于小于25W的LED驅(qū)動解決方案，由于PCB尺寸小，而封裝空間有限，散熱問題無可避免，所以該方案更顯重要。”

事實上，在這個功率范圍內(nèi)，LED照明燈將會取代鹵素?zé)艉途o湊型熒光燈(CFL)。此外，先進的技術(shù)為了擺脫散熱問題，必須去掉對溫度變化敏感的無源組件如電解電容。然而，目前大多數(shù)LED驅(qū)動器解決方案都源于電源拓?fù)洳⒁源藶榛A(chǔ)，故應(yīng)該考慮到溫度范圍的限制，因為一般產(chǎn)品通常基于商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但照明燈卻必須確保能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境如工業(yè)環(huán)境。

LED照明設(shè)計的架構(gòu)選擇

LED照明系統(tǒng)架構(gòu)選擇取決于你的設(shè)計目標(biāo)是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說，小于25W的LED照明系統(tǒng)不要求進行功率校正，因此可以采取簡單一些的拓?fù)浼軜?gòu)，如PSR或Buck拓?fù)洹?5W-100W的LED照明應(yīng)用要求進行功率校正，因此一般采用單級PFC、準(zhǔn)諧振(QR)PWM或反激式拓?fù)洹?00W以上LED照明應(yīng)用一般采用效率更高的LLC拓?fù)浜碗p級PFC。

“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓?fù)洌驗檫@一功率范圍主要針對小型設(shè)計，強調(diào)設(shè)計的簡單性。中等功率解決方案(25W-100W)適合于單級PFC、準(zhǔn)諧振(QR)PWM、反激式拓?fù)洹！盨angCheol Her說，“大功率解決方案(大于100W)則適合采用LLC、QR PWM、反激式拓?fù)湓O(shè)計。從效率角度來看，LLC和QR性能更好；而PSR方案無需次級反饋，設(shè)計簡單，尺寸也比其它方案小。”

鄭宗前也表示：“小于25 W的LED燈具主要應(yīng)用在室內(nèi)照明，它們主要采用低成本的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安森美半導(dǎo)體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內(nèi)置高壓MOSFET 和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積，提供最大25W的功率輸出(230V AC輸入)。”

“對于非隔離型小于25W LED照明應(yīng)用，如果輸入到輸出轉(zhuǎn)換比低，那么簡單的降壓轉(zhuǎn)換器可以是一個低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓?fù)浼軜?gòu)中，使用像英飛凌CoolSET ICE2QS系列器件的準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)渚褪且粋€很好的選擇。”Alexander Sommer說。英飛凌是第一家提供數(shù)字準(zhǔn)諧振反激控制IC的供應(yīng)商

25W-100W功率范圍的典型LED照明應(yīng)用是街道照明(小區(qū)道路)和像停車場這樣的公共場所。功率轉(zhuǎn)換效率、PFC功能的高性價比實現(xiàn)和高顏色品質(zhì)現(xiàn)在是最重要的三大技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，在商業(yè)照明和街道照明應(yīng)用中，更長得使用壽命和由此產(chǎn)生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進入障礙。25W到100W的LED照明應(yīng)用有功率因數(shù)的要求，因此需要增加功率因數(shù)校正電路。

“這種電路可以采用傳統(tǒng)的兩段式結(jié)構(gòu)，即有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正(PFC)電路加DC-DC PWM變換電路，如安森美的功率因數(shù)校正控制器NCP1607，NCP1607的外圍電路非常簡單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示，“對于高效率、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路，它可以同時實現(xiàn)功率因數(shù)和隔離的低壓直流輸出，并具有顯著的成本優(yōu)勢，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導(dǎo)體的NCP1652 為實現(xiàn)單級的PFC電路提供了最優(yōu)的控制方案。”

深圳世強電訊則采用Silicon Labs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現(xiàn)PFC。該公司助理市場經(jīng)理黃孫峰說：“我們針對家用市電(180V-260V)輸入10W-30W小功率LED照明應(yīng)用開發(fā)出的全數(shù)字化LED照明方案，可用軟件控制方式實現(xiàn)高達0.95的PFC值。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標(biāo)的前提下，還具有更高的靈活性、適應(yīng)性及可升級性。”該方案采用的LED驅(qū)動器MIC3230的最大輸出電流為350mA，最多可驅(qū)動12顆1W的LED，能夠很好地滿足室內(nèi)照明的需求。

Alexander Sommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負(fù)載范圍內(nèi)(如調(diào)光)具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應(yīng)用，建議采用帶一個獨立PFC級的準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型地可實現(xiàn)高達90%的效率。”

100W以上應(yīng)用包括主要道路和高速公路照明(這里需要高達20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入)和專業(yè)應(yīng)用，如舞臺燈光照明和建筑泛光燈照明。在高功率應(yīng)用中使用LED的一個關(guān)鍵驅(qū)動力是可靠性和低功耗帶來的低擁有成本。例如，其系統(tǒng)效率可與金屬鹵化物和低壓鈉燈相比。初始成本比較可能在短期內(nèi)繼續(xù)是該市場進入門檻。

鄭宗前指出：“對于大于100W的LED應(yīng)用，我們將采用傳統(tǒng)的有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正電路和半橋諧振DC-DC 轉(zhuǎn)換電路。我們推出了一種新型的集成控制器，它集成了有源非連續(xù)模式功率因數(shù)控制器和具有高壓驅(qū)動的半橋諧振控制器。”

該半橋諧振控制器工作在固定的開關(guān)頻率和固定的占空比，并且該電路不需要輸出側(cè)的反饋控制回路。這使得半橋諧振DC-DC 變換電路工作在效率最高的ZVS和ZCS狀態(tài)。直流輸出電壓將跟隨功率因數(shù)校正電路的輸出。

Alexander Sommer強調(diào)：“對于100W以上的更高功率級LED照明應(yīng)用，效率變得更加重要，建議使用LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以實現(xiàn)90％以上的效率。我們建議你使用英飛凌新的8引腳器件ICE1HS01。”

不管LED照明系統(tǒng)的輸出功率有多大，LED驅(qū)動器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅(qū)動LED所需的電流。這導(dǎo)致了多種不同的可行LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型。
凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong指出：“每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其優(yōu)點和缺點，其中，標(biāo)準(zhǔn)降壓型轉(zhuǎn)換器是最簡單和最容易實現(xiàn)的方案，升壓型和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器次之，而SEPIC型轉(zhuǎn)換器則最難實現(xiàn)，這是因為它采用了復(fù)雜的磁性設(shè)計原理，而且需要設(shè)計者擁有高超的開關(guān)模式電源設(shè)計專長。”

凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong?

總而言之，終端產(chǎn)品的應(yīng)用決定LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后再根據(jù)LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC、或Buck-Boost結(jié)構(gòu)。“一般來說，25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結(jié)構(gòu)。效率的話兩者一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高達97%的效率。考慮驅(qū)動部分BOM成本的時候更應(yīng)該考慮整體系統(tǒng)成本。”徐瑞包說，“隨著競爭的加劇，時時會有更低BOM成本的方案，但不一定是最合適的。我們不建議按照這個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計產(chǎn)品。PCB面積主要受主要元件的控制，小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術(shù)集成度高的產(chǎn)品，外圍電路簡單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”

梁后權(quán)也指出：“為了達到高效率要求，應(yīng)當(dāng)考慮采用開關(guān)模式LED驅(qū)動器，大多數(shù)這類客戶更喜歡選擇降壓LED驅(qū)動器，因為總的效率更高一些。如果從最低BOM成本角度來考慮，開關(guān)型LED轉(zhuǎn)換器不是最便宜的。此類客戶可能會試圖采用線性恒流LED驅(qū)動器。這可以提供最低的BOM成本，但效率可能就不會像開關(guān)模式LED驅(qū)動器那樣高。如從最小PCB板面積的角度考慮，通常將選用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，因為它們產(chǎn)生更少的熱量，甚至相關(guān)的元器件體積也將會更小。”

模擬、PWM和TRIAC調(diào)光方案

LED調(diào)光解決方案及規(guī)范一直在不斷變化，直到現(xiàn)在還未固定下來，所以現(xiàn)在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調(diào)光方案。PWM和模擬方法是其中較簡單的，但需要構(gòu)建調(diào)光基礎(chǔ)架構(gòu)和新的調(diào)光控制器。

模擬調(diào)光方案的缺點是，LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調(diào)光范圍)。由于LED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用。

PWM調(diào)光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100MHz)在零電流和最大LED電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流，從而可實現(xiàn)高達 3000:1的調(diào)光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值，要么被關(guān)斷，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發(fā)生LED色偏的優(yōu)點，而在采用模擬調(diào)光時這種 LED 色偏現(xiàn)象是很常見的。

SangCheol Her則看好TRIAC調(diào)光方案的市場前景，他表示：“可控硅(TRIAC，2線調(diào)光)將成為非常流行的解決方案，因為這種技術(shù)可以完全使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)而不需任何改變。而且，它還能夠擴展為3線調(diào)光，以避免出現(xiàn)與低功率因數(shù)值相關(guān)的缺陷。”

TRIAC調(diào)光今天是業(yè)內(nèi)非常熱的一個話題，最初，TRIAC調(diào)光器是為白熾燈而設(shè)計的，但大多數(shù)用戶希望相同的TRIAC調(diào)光器也能對替代的LED燈進行調(diào)光。梁后權(quán)表示：“Diodes Zetex目前可為客戶提供全部的調(diào)光解決方案(包括PWM、模擬和TRIAC)。例如，ZXLD1362 LED驅(qū)動器用一個ADJ引腳來實現(xiàn)模擬和PWM調(diào)光，這就為客戶帶來了很大的設(shè)計靈活性。”

不過，鄭宗前認(rèn)為，市場上TRIAC調(diào)光器的應(yīng)用方案應(yīng)該只是過渡性的，長遠來說，應(yīng)該會用PWM調(diào)光。他說：“主要的三點決定性因素為：1）用PWM 調(diào)光從零到最光，都不會有閃爍的現(xiàn)象。2）性能會更好。因為調(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路，這是配合全球?qū)艄獠捎霉β室驍?shù)有強制性的要求，雖然一般從25 W開始有這要求，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性。因此，采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇，也是未來的趨勢。3）成本會更好。用PWM調(diào)整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。”

Alexander Sommer也看好PWM調(diào)光方案前景，他說：“與模擬調(diào)光方法相比，LED的PWM調(diào)光方法有以下優(yōu)點：1）效率更高；2）不管調(diào)光程度有多大，允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組；3）在整個調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致(顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。”

徐瑞包也坦率地說：“個人覺得，調(diào)制方式的選擇不應(yīng)該決定于LED的功率。而應(yīng)決定于終端產(chǎn)品的應(yīng)用要求。比如，顯示背光或者LED裝飾燈可能會選用PWM的調(diào)光方式，顏色一致性好，亮度級別高。但是對于一般的家用照明或者商業(yè)照明，模擬調(diào)光或者TRIAC也可以選擇，不過會產(chǎn)生色偏，并且調(diào)光的級別會很低。”

梁后權(quán)也表示：“為了在連續(xù)調(diào)光時實現(xiàn)無閃爍，大多數(shù)客戶喜歡選擇PWM調(diào)光，因為它可提供更大的調(diào)光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調(diào)光頻率，閃爍現(xiàn)象可以降到最小。模擬調(diào)光更容易實現(xiàn)，因為它只需要一個DC電壓就可以無閃爍地對LED進行調(diào)光。但通常來說，調(diào)光范圍要窄一些。”

對于由多個LED構(gòu)成的大功率照明應(yīng)用，確保每個LED具有均勻的亮度且不產(chǎn)生任何閃爍也成為了主要的設(shè)計障礙，但PWM方法很容易解決調(diào)光時的閃爍問題。“若PWM調(diào)制器的占空比能保持恒定，就便應(yīng)該不會存在有燈光亮度不均勻的問題。”吳志民表示，“美國國家半導(dǎo)體的LED驅(qū)動器不但能確保輸出的電流大小均勻，而且也確保畫面有極高的光暗對比度。從以這幾方面來說，我們的LED驅(qū)動器都比市場上的同級產(chǎn)品更出色優(yōu)勝。”

Tony Armstrong指出，總之，最終用戶所采用的調(diào)光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如，在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統(tǒng)中，環(huán)境照明的亮度變化范圍是非常寬的，既有陽光充足時的無比明亮，也有無月之夜的漆黑一片，可謂千差萬別。由于人眼對于環(huán)境照明條件的輕微變化極其敏感，因此需要3000:1的寬調(diào)光范圍。這將要求LED驅(qū)動器電路采用PWM調(diào)光方法。

不過，他補充道：“在LED街燈中，由于這種燈常常要么處于接通狀態(tài)要么處于關(guān)斷狀態(tài)，因而只需要一個有限的調(diào)光范圍即可。在這種場合中，僅需采用一種簡單的模擬調(diào)光法便能滿足要求。”

如前所述，小于25W的LED照明應(yīng)用主要是替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈和鹵素?zé)簟Ｔ谶@一功率范圍上，最可能的一個應(yīng)用就是替代由基于TRIAC(雙向可控硅)的逐步削減入墻式調(diào)光器控制的白熾燈或節(jié)能燈。目前市場上有前沿和后沿削減調(diào)光器，這為整體兼容性帶來了挑戰(zhàn)，因為從EMI的角度來看TRIAC調(diào)光是很差的。

“對于要求最佳性價比的非調(diào)光應(yīng)用，使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓?fù)涫且粋€合適的選擇。”Alexander Sommer認(rèn)為，“25W及以上功率范圍LED照明應(yīng)用面向更多的專業(yè)市場。調(diào)光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型。數(shù)字照明控制(如DALI或無線解決方案)允許對調(diào)光水平進行更精確的控制、以及更多的功能，如日光下調(diào)光和占空比感應(yīng)。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調(diào)光控制器。”