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通用照明市場中的高亮度LED驅動挑戰
LED背光與照明技術專欄(1)

【作者: ON Semiconductor】   2009年05月06日 星期三

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近年來,隨著綠色環保團體不斷擴大節能環保界線,各個規範標準組織不斷發佈新的效能標準,同時,終端產品不斷向更高集成度和更小尺寸的方向發展,降低能源消耗、提高能源使用效率已經成為全球眾多國家的政府、行業組織、半導體公司、電子產品製造商及消費者所共同關注的焦點。


如果審視各個應用領域的電能消耗,根據預計,全球大約有19%的電能是用於照明。這部份的電能消耗比例相當可觀,有鑒於此,業界不斷致力於尋求面向通用照明市場的更加節能高效的照明解決方案。


通用照明市場的不同光源對比

從具體應用來看,通用照明市場涵蓋的領域非常廣泛,包括建築物照明、標誌、景觀照明、零售、訊號燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場,目前常用的光源包括白熾燈、緊湊型螢光燈(CFL)、線性螢光燈、高強度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發光二極體(HB LED)等。


如果基於效能基準對不同光源進行比較,那麼用於衡量照明的一個重要指標便是總輸出流明與輸入功率比,以每瓦流明數(lm/W)來衡量,稱作效能(efficacy)。在不同的照明解決方案中,白熾燈的效能相對較低。對於標準的60 W白熾燈而言,其效能範圍介於10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對而言,CFL的效能要高得多,典型效能達55至60 lm/W。不過,CFL屬於全方向照射,安裝在燈具中時,光會被直射、反向或遮蔽,從而帶來光損耗,使得55 lm/W的CFL燈具的淨效能僅在28至50 lm/W之間。其他的光源,如HID也擁有著比白熾燈更高的效能,1款100 W金屬鹵素HID燈大約可以產生8000流明的輸出,即效能在80 lm/W;不過,像CFL一樣,HID的光輸出是全方向,在燈光投射路徑上會有大量的損耗。



《圖一 不同光源的能效發展趨勢對比》
《圖一 不同光源的能效發展趨勢對比》

相比較而言,LED是一種新興的光源技術。最常見的白光LED是鍍磷(激發時會發黃光)的藍色LED。LED擁有著越來越高的效能,業界近期宣稱的最強的白光LED研發能力達到了132至136 lm/W,色溫達4500~6000K。實際上,近年來,業界在將LED用於通用照明市場的興趣不斷增加。對於通用照明而言,LED擁有眾多具有吸引力的特性。例如,它本質上是一種低壓元件,它們體積小巧,產生定向光,能夠產生多種色彩以及白光。它們產生紅外(IR)或紫外(UV)輻射,而且由於它們是固態元件,它們在機械上很強固並且不含水銀,在當地設計和使用時能夠具有超過5萬小時的工作壽命週期。與壽命為1千小時的標準白熾燈相比,LED的壽命就要長得多。對於需要長時間連續工作、可能的用量有限、擁有很多極端應用環境的照明應用而言,或者是在地理上難於接近或故障停機成本高昂的應用中,LED的這些特性就特別具有吸引力。這樣一來,高亮度LED已經在多種應用中開始替代白熾燈;其中白天可見的應用包括汽車中央停車警告燈和交通訊號燈。


LED通用照明要求及LED驅動挑戰

對於LED在通用照明中的應用,需要從系統的角度來分析其要求。總的來看,LED固態照明系統涉及以下要求:


  • ●LED光源:光源緊湊高效,提供寬廣範圍的色彩和輸出功率;


  • ●電源轉換:將交流牆式插座、電池、太陽能電池的電源高效地轉換至安全的低壓直流電源;


  • ●控制和驅動:採用電子電路對LED進行穩壓和控制;


  • ●熱管理:為了實現更長的工作壽命,結點溫度控制非常重要,需要分析散熱;


  • ●光學元件:將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或導光材料。



在開發高效能的LED通用照明解決方案時,這幾方面的要求都非常重要。其中,LED控制和驅動是本文討論的重點。對於LED驅動而言,它面對的主要挑戰就在於LED的非線性。這主要體現在LED的正向電壓會隨著電流和溫度而變化,不同LED元件的正向電壓會有差異,LED「色點」會隨著電流和溫度而漂移,而且LED必須在規範要求的範圍內工作進而實現可靠工作。而LED驅動器的主要作用,就是在工作條件範圍內限制電流,無論輸入條件和正向電壓如何變化。圖二顯示的是LED驅動器的基本工作電路示意圖。



《圖二 LED驅動器的基本工作電路示意圖》
《圖二 LED驅動器的基本工作電路示意圖》

對於LED驅動電路而言,除了進行恒流穩流,還面對著其他一些關鍵要求。例如,如果需要LED調光,則需要提供脈衝寬調變(PWM)技術,而用於LED調光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外,LED驅動電路的功率處理能力必須充足,且功能強固,可以承受多種故障條件,並且要易於實現。值得一提的是,由於LED在最適宜電流時始終處於「導通」狀態,所以其色彩不會漂移。


由於系統中需要使用的LED數量常常不止一個,這就涉及到對LED進行配置的問題。一般而言,強烈建議驅動單串LED,因為這樣能夠提供最佳的電流匹配,而與正向電壓變化或輸出電壓「漂移」無關。當然,用戶也可以並聯或串聯、並聯交叉連接等方式來配置LED。如果採用並聯配置,電路就需要匹配的LED正向電壓;如果某個LED失效開路,其他LED可能會被過驅動。相應地,採用多路並聯或串聯、並聯交叉連接技術,可用於嘗試減輕發生故障的風險。


LED驅動應用示例

根據具體應用的不同,LED可能會採用不同的電源來供電,如交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統,甚至是基於堿和鎳的電池或鋰離子電池等。


採用交流離線電源為LED供電

在採用交流離線電源為LED供電的應用中,涉及到眾多不同的應用場合,如電子鎮流器、螢光燈替代、交通訊號燈、LED燈泡、街道和停車照明、建築物照明、障礙燈和標誌等。在這些從交流主電源驅動大功率LED的應用中,有兩種常見的電源轉換技術,即在需要電流隔離(galvanic isolation)時使用反激轉換器,或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓撲結構。



《圖三 離線式LED驅動器應用示意圖》
《圖三 離線式LED驅動器應用示意圖》

在照明應用中,如果輸出功率要求高於25W,LED驅動器則面對著功率因數修正(PFC)的問題。例如,歐盟的國際電工委員會(IEC)針對照明(功率大於25 W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規定。而在美國,能源部能源之星項目固態照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級),即針對住宅應用部份要求功率因數高於0.7,而針對商業應用部份要求功率因數高於0.9。這標準屬於自願遵守的標準,並非強制性要求,但有些應用可能需要良好的功率因數。例如,公營事業機構將推動LED的大規模應用,應用在公用設施級別的LED可望擁有較高功率因數;而且公營事業機構擁有或提供LED街燈服務時,LED是否具有較高功率因數(通常大於0.95)取決於公營事業機構的意願,如果他們願意,則相應的LED驅動解決方案必須滿足這方面的要求。


《圖四 需要PFC的LED驅動應用中不同架構對比》
《圖四 需要PFC的LED驅動應用中不同架構對比》

在這類可能需要採用PFC控制器的應用中,傳統的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模組化,且認證簡單,但在總體效能方面會有折衷,如假設交流-直流(AC-DC)段的效能為87%至90%,直流-直流(DC-DC)段效能為85%至90%,則總效能僅為74%至81%。隨著LED技術的持續改進,這種架構預計將轉化為更加最佳化、更高效能的方案。根據要求的不同,有多種可供選擇的方案,如:PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、單段式PFC方案等。


另一方面,如上所述,在不需要隔離的應用中,可以採用較為簡單的降壓拓撲結構,這種結構所使用的電感比變壓器小得多,而且只需要很少的元件來實現這種解決方案。這種架構採用的是峰值電流控制(PCC)模式,工作在深度連續導電模式(CCM)。這種架構具有多種優勢,如可以消除使用大電解輸出電容、具有「良好」穩流的簡單控制原理,以及能夠充份利用動態自供電(DSS)技術能力來直接從交流線路為驅動器供電。



《圖五 採用峰值電流控制的非隔離型離線式LED驅動應用》
《圖五 採用峰值電流控制的非隔離型離線式LED驅動應用》

對於降壓控制方式而言,當控制的LED數量減少時,它會出現一項局限,因為這時佔空比會變得極窄。而且開關控制器在電流被感測到之前會有200至400ns的前沿消隱電路。在這種情況下,必須降低開關頻率來適應正常操作,並通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中,基本架構能夠通過元件修改來輕易擴展,也能驅動更長的LED串。


(表一) 寬輸入範圍的DC-DC LED應用

電源

使用/應用

電壓和穩壓

離線交流穩壓適配器

中小批量應用、降低安全要求

常見電壓為5、12、24 VDC,穩壓精確度達±10%

(密封)鉛酸電池

汽車或太陽能供電、船舶

廣泛穩鴨、8~13 VDC或更高,用於汽車應用時,需考慮拋負載保護

12 VDC和12 VAC

常用於內部軌道照明,和戶外景觀應用

若是磁整流器則廣泛穩壓,若是電子整流器則穩壓精度達±5%,可能有最小負載要求,會有線纜損耗


採用寬輸入範圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電

有一系列高亮度LED應用工作在8至40 VDC範圍的電源,這些電源包括鉛酸電池、


12~36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12和24 VAC交流系統。這類的照明應用眾多,如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明,以及陳列櫃照明等。


即使目標是採用恒定電流驅動LED,首先要理解的事件就是應用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結溫度範圍、驅動電流和製造容限決定。憑藉這些資訊,就可以選擇恰當的線性或開關電源拓撲結構,如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。



《圖六 LED恒流降壓控制應用示意圖》
《圖六 LED恒流降壓控制應用示意圖》

為LED提供保護

如前所述,LED是一種使用壽命極長的光源(可長達5萬小時)。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動解決方案,還需要為LED提供適當的保護,因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣,可能是因為LED早期失效,也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施,特別是因為某些應用屬於關鍵應用(故障停機成本高),或是安全攸關的應用(如頭燈、燈塔、橋樑、飛行器、飛機跑道等),或是在地理上難於接近的應用(維護困難)等。


在這方面,可以採用LED分流保護解決方案。圖七是這種分流保護解決方案的應用及原理示意圖。在LED正常工作時,洩漏電流僅為近100μA;而在遭遇瞬態或浪湧條件時,LED就會開路,這時分流保護器所在的分流通道啟動,所帶來的壓降僅為1.0V,將帶給電路的影響盡可能地減小。


《圖七  開路分流保護器的應用示意圖》
《圖七  開路分流保護器的應用示意圖》

結語

相較於白熾燈等傳統光源,LED具有效能高、壽命長、指向性好等眾多優勢,越來越受業界青睞用於通用照明市場。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求,需要從系統的角度去考慮,如光源、電源轉換、LED控制和驅動、散熱和光學等。本文以LED驅動為重點,分析了通用照明市場中LED驅動面對的挑戰,並探討不同的LED驅動應用示例,如通過交流隔離電源為LED供電和通過寬輸入範圍DC-DC電源為LED供電等,希望能為工程師提供設計上的參考。


---本文由安森美半導體(On Semiconductor)提供---


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