高效率的LED照明電源設計
標準電燈正在經歷一場革命。出于保護能源和應對全球氣候變暖的考慮,美國一些州和其它一些國家開始禁止使用低能效的
白熾燈泡。各種新技術正紛紛被用于替換白熾燈泡,其中緊湊型真空熒光燈(CFL)是主要替代方案。盡管這種CFL燈的功耗僅為白熾燈的20%,但卻含有有毒物質汞。相比之下,LED燈可以提供更高效和更環保的解決方案。
最初的商業應用出現在上世紀七十年代,但因其光輸出極低,應用范圍也僅限于指示燈和計算器顯示屏等領域。如今,能夠產生白光的高功率LED在效率方面不斷得以提升,價格也在逐年下降,因此它已成為主流照明應用值得考慮的選擇之一。預計隨著LED技術的發展,到2012年其發光效率將達到150流明/瓦,1000流明的成本將不足5美元(資料來源:OIDA),屆時LED有望成為室內照明的主要來源。
正是由于認識到使用LED來實現標準燈泡替換的目標是完全可行的,也為了往減少住宅、辦公場所、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,美國國會專門設立了一項1,000萬美元的巨額大獎,用來獎勵第一家開發出60瓦白熾燈替換燈具(在標準 A19燈泡中使用LED)的公司或者個人。該獎項是“點亮明天照明獎”(Bright Tomorrow Lighting Prizes)的分項獎,而“點亮明天照明獎”正是最近剛成為美國正式法律的《能源獨立和安全法案》的組成部分。該獎項一旦落定,美國政府采購辦公室就必須采購此類LED燈泡并在所有政府辦公場所中使用。照明工程師社區 不過,要想摘取該獎項,設計必須達到以下條件:燈泡必須能夠產生900流明的光;功耗低于10瓦(發光效率大于90流明/瓦);相對色溫(CCT)必須介于2750K至3000K之間;預期工作壽命要達到25,000小時以上,且流明維持率為70%;燈泡必須能批量生產和大量銷售。
因此,有意角逐此獎項的設計工程師所面臨的主要問題是,設計出的電源必須能高效率地驅動LED,使之達到所需的亮度,而且在滿足EMC法規要求的同事,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、設計和實現方面取得重大突破,所以無論誰成為1000萬大獎的最終得主,都將當之無愧。LED目前所達到的最高發光效率大約為75流明/瓦,但LED制造商正在取得很大進展,一旦LED的發光效率達到100流明/瓦的水平,LED燈將能實現90流明/瓦的目標。然而,這仍要使用能效為90%、非常緊湊的電源。
公司現在可以設計出能夠裝入燈泡外殼的電源方案,其能效超過90%,成本低且適合大量生產。本文討論的一款基于Power Integrations公司的LNK306PN的10W電源設計簡單、成本低,不僅其工作效率高達91%以上,能提供恒定的LED電流,而且能滿足EMI要求。
高效電源是成功開發白熾燈替換方案的必要因素,但首先會面臨散熱問題。例如,效率為70%的電源會將30%的電能轉換為熱能,除非將熱量散發出去,否則燈泡溫度的陸續上升將會大幅降低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成。如果LED燈制造商希望在LED燈市場上占取一定份額,他們就必須證明其LED燈與同類產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%,節能效果也非常明顯。
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圖1:LED的電源效率即使提高1%,也會帶來非常明顯的節能效果。 |
如果電源效率提高1%,10W LED燈(相當于60W白熾燈)將節省0.42美元的電費。因此,如果電源效率提高10%,則一個1,000流明LED燈在其工作壽命期間所節省的總成本將抵消其初始成本,這樣LED燈的“照明總成本”就會低于白熾燈的“照明總成本”。
下文描述的電源設計采用了最少的元件數量,但在所有工作條件下的效率均超過90%。優化電效率的簡單方法是盡量提高電壓和降低電流。為實現這個目標,需要串聯連接LED,并使用70V/135mA的降壓式電源(圖2)。此設計大約需要20個LED。不過,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,以延長燈的使用壽命并提高發光效率。
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圖2:驅動LED陣列的70V、9W恒流降壓式轉換器電路圖。 |
該電源設計在低壓側降壓式配置中采用了一個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。(這個電源非常適合驅動必須采用恒流而不是恒壓驅動的LED。)
在這個電源設計中,在輸入端進行濾波可減少傳導EMI,全波整流器將在C2上生成直流電壓。負載J2、電感L2和開關控制器U1串聯連接在一起。LinkSwitch-TN器件(U1)在單片IC上集成了一個700V的功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制電路、高壓開關電流源、頻率抖動電路、逐周期限流器以及熱關斷電路。
通過LinkSwitch-TN的開關控制電路可以保持輸出穩壓,從而可以根據電壓變化和負載狀況對開關周期進行使能和禁止(跳過)。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49μA,則將跳過整個開關周期。每個導通周期開始時FB引腳進行采樣,以確定是否要跳過該周期。
在U1導通期間,電流流經電容C4、負載(70V LED串)以及電感L2。除了向負載提供一部分能量外,該電流還使L2儲存一定能量。在U1關斷期間,L2的極性反向,以試圖維持電流。反向極性為續流二極管D5提供前向偏置,以保持電流流動并持續為C4和負載提供能量。電阻R4被用作電流檢測元件,R4上的電壓還會出現在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對傳導EMI的限制(EMI裕量大于10dBμV),還可以在整個工作電壓范圍內達到90%以上的效率(圖3)。220V輸入電壓電源也具有類似性能。
隨著未來LED效率的提高,這個電源設計允許設計工程師實現用來替換白熾燈、輸入功率僅為10W而能為LED提供9W功率的LED燈具。一旦輸出效率為100流明/瓦的LED實現量產,美國國會的此項大獎垂手可得