LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)1

LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)/LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)-安森美培訓(xùn)資料發(fā)光二極管()繼在中小尺寸屏幕的便攜產(chǎn)品背光等應(yīng)用獲大量采納后，隨著它發(fā)光性能的進(jìn)一步提升及成本的優(yōu)化，近年來(lái)已邁入通用照明領(lǐng)域，如建筑物照明,街道照明,景觀照明,標(biāo)識(shí)牌,信號(hào)燈,以及住宅內(nèi)的照明等，應(yīng)用可謂方興未艾。另一方面，照明設(shè)計(jì)也給包括中國(guó)工程師在內(nèi)的工程社群帶來(lái)了挑戰(zhàn)，這不僅因?yàn)檎彰鞯膽?yīng)用范圍特別廣泛，應(yīng)用的功率等級(jí),可以采納的驅(qū)動(dòng)電源種類及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，也各不相同。工程師們迫切須要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)及了解更多有關(guān)照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。有鑒于此，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)先生近期特地撰寫(xiě)相關(guān)培訓(xùn)資料，為工程師們傳授相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容涉及驅(qū)動(dòng)器的通用要求,電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),功率因數(shù)校正,電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)，以及牢靠性和運(yùn)用壽命等其它問(wèn)題，便利他們更好地設(shè)計(jì)入門(mén)及提高，從而更好地服務(wù)于照明市場(chǎng)。限于篇幅，本文是該培訓(xùn)資料的摘要介紹。一,驅(qū)動(dòng)器通用要求驅(qū)動(dòng)面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會(huì)隨著溫度,電流的變化而變化，而不同個(gè)體,不同批次,不同供應(yīng)商的正向電壓也會(huì)有差異；另外，的“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流及溫度的變化而漂移。另外，應(yīng)用中通常會(huì)運(yùn)用多顆，這就涉及到多顆的排列方式問(wèn)題。各種排列方式中，首選驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的單串，因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何變化,輸出電壓()如何“漂移”，均供應(yīng)極佳的電流匹配性能。當(dāng)然，用戶也可以采納并聯(lián),串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式，用于須要“相互匹配的”正向電壓的應(yīng)用，并獲得其它優(yōu)勢(shì)。如在交叉連接中，假如其中某個(gè)因故障開(kāi)路，電路中僅有1個(gè)的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)加倍，從而盡量削減對(duì)整個(gè)電路的影響。

圖1：常見(jiàn)的排列方式的排列方式及光源的規(guī)范確定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是在肯定的工作條件范圍下限制流過(guò)的電流，而無(wú)論輸入及輸出電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖如圖2所示，其中所謂的“隔離”表示溝通線路電壓及(即輸入及輸出)之間沒(méi)有物理上的電氣連接，最常用的是采納變壓器來(lái)電氣隔離，而“非隔離”則沒(méi)有采納高頻變壓器來(lái)電氣隔離。

圖2：驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。值得一提的是，在照明設(shè)計(jì)中，電源轉(zhuǎn)換及恒流驅(qū)動(dòng)這兩部分電路可以采納不同配置：1)整體式()配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，這種配置的優(yōu)勢(shì)包括優(yōu)化能效及簡(jiǎn)化安裝等；2)分布式()配置，即兩者單獨(dú)存在，這種配置簡(jiǎn)化平安考慮，并增加敏捷性。驅(qū)動(dòng)器依據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以采納恒定電壓()輸出工作，即輸出為肯定電流范圍下鉗位的電壓；也可以采納恒定電流()輸出工作，輸出的設(shè)計(jì)能?chē)?yán)格限定電流；也可能會(huì)采納恒流恒壓()輸出工作，即供應(yīng)恒定輸出功率，故作為負(fù)載的的正向電壓確定其電流?？偟膩?lái)看，照明設(shè)計(jì)須要考慮以下幾方面的因素：輸出功率：涉及正向電壓范圍,電流及排列方式等電源：電源,電源,直接采納電源驅(qū)動(dòng)功能要求：調(diào)光要求,調(diào)光方式(模擬,數(shù)字或多級(jí)),照明限制其他要求：能效,功率因數(shù),尺寸,成本,故障處理(愛(ài)護(hù)特性),要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及牢靠性等更多考慮因素：機(jī)械連接,安裝,修理/替換,壽命周期,物流等二,驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采納電源的照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管,開(kāi)關(guān)(),電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制()穩(wěn)壓器用于限制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型電源轉(zhuǎn)換包含反激,正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于供應(yīng)更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小及開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型驅(qū)動(dòng)器基本上采納“電子”變壓器。

圖3：常見(jiàn)的隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采納電源的照明應(yīng)用中，可以采納的驅(qū)動(dòng)方式有電阻型,線性穩(wěn)壓器及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見(jiàn)圖4。電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整及串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可限制的正向電流，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì),成本低，且沒(méi)有電磁兼容()問(wèn)題，劣勢(shì)是依靠于電壓,須要篩選()，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒(méi)有問(wèn)題，還支持電流穩(wěn)流及過(guò)流愛(ài)護(hù)()，且供應(yīng)外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)限制模塊不斷限制開(kāi)關(guān)()的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而限制電流的流淌。

圖4：常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，及電壓無(wú)關(guān)，且能限制亮度，不足則是成本相對(duì)較高，困難度也更高，且存在電磁干擾()問(wèn)題。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(),升壓(),降壓-升壓()或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器()等不同類型。其中，全部工作條件下最低輸入電壓都大于串最大電壓時(shí)采納降壓結(jié)構(gòu)，如采納24驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的；及之相反，全部工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采納升壓結(jié)構(gòu)，如采納12驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的；而輸入電壓及輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采納降壓-升壓或結(jié)構(gòu)，如采納12或12驅(qū)動(dòng)4顆串聯(lián)的，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不志向。采納溝通電源直接驅(qū)動(dòng)的方式近年來(lái)也獲得了肯定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見(jiàn)圖5。這種結(jié)構(gòu)中，串以相反方向排列，工作在半周期，且在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢(shì)，如避開(kāi)轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì)察覺(jué)到閃耀現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)中還須要加入愛(ài)護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

圖5：直接采納溝通驅(qū)動(dòng)的示意圖。三,功率因數(shù)校正美國(guó)能源部()“能源之星”(?)固態(tài)照明()規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制供應(yīng)功率因數(shù)校正()。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈,櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9；但是，這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25W的照明應(yīng)用的總諧波失真性能，其最大限制相當(dāng)于總諧波失真()<35%，而功率因數(shù)()>0.94。雖然不是全部國(guó)家都肯定強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動(dòng)擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用，此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購(gòu)入/維護(hù)街燈時(shí)，也可以依據(jù)他們的意愿來(lái)確定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

圖6：有源的應(yīng)用電路示意圖。技術(shù)包括無(wú)源及有源兩種。無(wú)源方案的體積較大，須要增加額外的元件來(lái)更好地改變電流波形，能夠達(dá)到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中，在小于5W至40W的較低功率應(yīng)用中，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只須要采納無(wú)源元件及稍作電路改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。有源(見(jiàn)圖6)通常是作為一個(gè)特地的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來(lái)改變輸入電流波形。有源通常供應(yīng)升壓，溝通100至277的寬輸入范圍下，輸出電壓范圍達(dá)直流450至480。假如恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)段，可以供應(yīng)91%到95%的高能效。但增加了有源，仍舊須要特地的轉(zhuǎn)換來(lái)供應(yīng)電流穩(wěn)流。四,能效問(wèn)題照明應(yīng)用的能效須要結(jié)合功率輸出來(lái)考慮。美國(guó)“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級(jí)的能效，但并不涉及單獨(dú)驅(qū)動(dòng)器的能效要求。如前所述，采納電源的應(yīng)用可以采納兩段式分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故可能采納外部適配器供電。而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規(guī)范，其2.0版外部電源規(guī)范于2008年11月開(kāi)始生效，要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%，而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%；在此規(guī)范中，功率大于100W時(shí)才要求。

圖7：美國(guó)能源部2008年秋季提出的照明燈具能效研發(fā)目標(biāo)。而在采納電源的應(yīng)用中，要供應(yīng)更高的轉(zhuǎn)換能效，就涉及到成本,尺寸,性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問(wèn)題。例如，若運(yùn)用更高質(zhì)量的元件,更低導(dǎo)通阻抗()，就可降低損耗及改善能效；降低開(kāi)關(guān)頻率一般會(huì)改善能效，但卻會(huì)增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)供應(yīng)更高能效，卻也增加設(shè)計(jì)及元件的困難度。假如我們將設(shè)計(jì)限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以扶植優(yōu)化能效。五,驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器本身也在不斷演進(jìn)，著重于進(jìn)一步提高能效,增加功能及功率密度。美國(guó)“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級(jí)的能效限制，涉及包括功率因數(shù)在內(nèi)的特定產(chǎn)品要求。而歐盟的61347-2-13(5/2006)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)采納直流或溝通供電的模塊的要求包括：最大平安特低電壓()工作輸出電壓≤25(35.3)不同故障條件下“恰當(dāng)”/平安的工作故障時(shí)不冒煙或易燃此外，C82驅(qū)動(dòng)器規(guī)范仍在制定之中。而在平安性方面，須要遵從,等標(biāo)準(zhǔn)，如1310(2),60950,1012。此外，照明設(shè)計(jì)還涉及到產(chǎn)品壽命周期及牢靠性問(wèn)題。更具體內(nèi)容請(qǐng)?jiān)L問(wèn)安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站照明應(yīng)用專區(qū)總結(jié)：本文共享了安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用專家先生的