• 汇总页幻灯图片
可调光LED灯具设计需要考虑的技术问题
  近年来,跟着LED灯具的呈现,照明范畴发生了革命性的改变。在欧洲和美国的零售商铺,陈旧的白炽灯泡已难觅踪影,甚至禁止销售。而在替代灯具商场,低功耗的紧凑型荧光灯(CFL)现在面临着新的竞争对手。led技能正在不断改善,LED灯具在亮度和功率方面日益强壮。这些特性再加上其特有的高能效,使LED灯具成为照明的理想挑选。
  一般白炽灯泡每瓦能发生10流明,而LED制造商声称LED灯具每瓦最高可到达100流明。但是,外形和最高作业温度的局限使得LED难以发挥悉数潜力。现在性能最好的LED替代灯具,功率可到达每瓦50-60流明。因此,LED灯具在功率标准方面与CFL灯具现已难分伯仲(注:CFL灯的功率范围为每瓦60-70流明,且改善潜力有限)。
  生态问题也日益受到公众关注。跟着人们对全球变暖和气候改变等环境问题的意识不断提高,节省资源和能源的理念正成为很多商场营销战略的要点。过去10年间汽车油耗的下降和白炽灯的禁用很好地说明了这一趋势。全球多国政府现已制定白炽灯筛选的时刻表。还有一些公共政策专门为节能环保的“生态”产品供给宽松的税收支撑或其他财政帮助。
可调光LED灯具设计需要考虑的技术问题
  LED的内涵优势十分符合公众对安全、节能和环保照明解决方案的热切期盼。LED还有许多其他长处,如较高的调光才干、较长的运用寿数和较小的外形尺寸,在外形、色彩、寿数和本钱方面打开了方便之门。
  选用在机械、光、电和热等各方面都兼容的LED照明解决方案替代传统的照明源(荧光灯、CFL节能灯、卤素灯或其它白炽灯)是一场正在发生的工业变革。商务、办公和住宅照明商场呼喊高质量的LED改进灯具。尽管本钱问题仍然是这些解决方案的首要妨碍,但一起还需求注意以下技能问题:
  1.1调光器的兼容性
  现在,家庭、旅馆和办公场所照明灯具的操控设备都是针对白炽灯规划装置的。供给调光功用的最好办法是运用“市电切相”调光器。这种调光器原理上是为白炽灯供电而开发的。从电学方面看,白炽灯可视为一个电阻性负载。
  而电子照明源(如CFL节能灯或LED灯)的电气等效负载则不再是纯阻性负载。这样在调光器作业方法上就发生了很大的不同。负载运用不当会导致体系功用失常,或许呈现令人十分不舒服的闪耀、甚至损坏灯具或调光器。这样或许引起用户不满,然后推迟选用LED解决方案。现在,调光器仍然价格昂贵且难以装置。因此,推出兼容现有调光器的优质解决方案成为兑现LED照明推广承诺的必定。
  切相调光器尽管类型各异,可是作业原理基本相同(即在每个周期切掉部分电源正弦波)。这能够经过开关来实现。开关接通时,电源就输送到负载(灯泡)。开关断开时,则不供电。经过调理开关导通时刻,就能够调理供给负载的总能量。
  调光器分为两类:前沿切相型和后沿切相型。
  [1].前沿切相调光器,便是在电源半周期开始时切相。经过了与调光位置相对应的一段时刻后,开关才导通为负载供电直至半周期完毕。经过零点后,重复相同操作。
  [2].后沿切相调光器,便是开关在半周期开始时导通,经过与调光位置相对应的一段时刻后断开,并将断开状况坚持至半周期完毕。经过零点后,重复相同操作。
  要完结切相,首要运用两个技能:TRIAC(双向可控硅)开关或晶体管开关。TRIAC调光器多为前沿切相调光器。晶体管开关既可所以前沿切相调光器也可所以后沿切相调光器。TRIAC调光器的问题是它需求满意特殊的条件才干正常作业:TRIAC能够经过触发栅极来打开,一旦触发,仍需求一个最小的电流来维持其处于导通状况。这个触发电流被称为“闩锁电流”,而且为了坚持TRIAC导通,电流有必要加载一段时刻。一旦器材被闩锁,有必要有持续的电流供应。这个电流被称为“坚持电流”。假如这个电流断开或减弱,TRIAC将关断。为了兼容调光器,LED灯具有必要吸收调光器所需的坚持电流。例如,假如一只6W的LED灯(大致相当于40W的白炽灯泡)要与一个最小负载为10W的调光器配合运用,就需求一些额定电路来供给足够的坚持电流。在这种情况下,灯泡功率会下降,但与40W相比仍然是高功率。假如没有这个电路,LED灯则无法正常作业。不同调光器的坚持电流有所不同。因此,额定损耗越大,与调光器的兼容性就越好。可调光运用的规划难点就在于找到灯具功率和调光器兼容性之间的最佳权衡。
  恩智浦的SSL2101(及其衍生产品SSL2102)有两个由IC操控的集成泄放开关。经过外接电阻,能够设置两个不同的泄放电流。IC为电流挑选供给了更大的灵活性,并优化了调光器兼容性。SSL2103(SSL2101的仅操控器集成版别)中则去掉了集成的泄放开关,但能够用低本钱的外部双极型开关(仍由IC驱动)替代,可挑选供给更高的泄放电流。一起,该版别还移除用于转换器操作的内置MOSFET,但能够进行外部批改,然后构成满意特定调理要求的解决方案。
  1.2挑选外形尺寸与拓扑结构的联系
  LED灯具本质上归于电流驱动型。它们的发光强度大致与经过电流成正比。因此,能够选用不同的拓扑结构运用市电来驱动。拓扑结构挑选的要害方针之一是确认终究运用的外形尺寸。小于15W的低功率LED灯首要针对现有灯具的改进运用。这意味着灯泡的形状有必要与现有传统灯具附近。现在市售产品首要选用下面三种拓扑结构:
  1.2.1LED与电阻串联
  LED与电阻串联,电阻与市电直接相连。这种拓扑最简单。只需电源电压高于二极管正向电压之和,LED即导通。LED的最大电流由电阻值决议:
  其中n是LED的数量,Vf是其正向电压。
  这个解决方案简单但功率不高。例如,一个12W的运用,其LED的最大电流或许达500mA。总正向电压将为24V。关于220V的沟通市电,所需电阻值为574?。这个电阻在电流为500mA时将耗费143W功率。当然,咱们能够考虑运用低电流二极管,但到达相同功率所需的Vf更高。这样做的直接结果是,敞开时刻大幅缩短,且会呈现闪耀。
  1.2.2降压式拓扑
  [2]降压式拓扑是最高效的拓扑结构之一。其基本原理如图5所示。
  降压式拓扑结构原理
  当开关接通时,电流流过LED线圈并发光。为了操控电流值,一个传感器电阻与地串联。经过检测该电阻上的电压,当其到达过流维护(OCP)值时,开关会断开。线圈中存储的能量则经过续流二极管和LED释放。
  这种拓扑有两大长处:
  [1].首先是功率十分高,特别是低功率运用时(小于10W)。运用这种拓扑的LED一般照明灯一般声称其功率高于90%。
  [2].第二个长处是外形尺寸。总体外形尺寸关于灯具改进商场十分重要,因为终究的产品外形有必要与传统白炽灯或卤素灯产品附近。降压式拓扑不运用变压器或光耦器材,因此线圈相对较小,特别在开关频率相对较高时尤其如此。
  这种拓扑也有两个首要缺陷
  [1].这种拓扑的首要缺陷是不供给任何电气阻隔。考虑到散热要素,LED一般装置在金属散热器上。这样,出于安全原因,会强制要求电气阻隔。
  [2].第二个缺陷是LED与线圈串联。这样就需求在二极管的总正向电压与转换器的最大损耗之间进行权衡。假如输入和输出之间压差过大,就会下降功率。
  1.2.3反激拓扑
  反激式拓扑结构中,线圈由变压器替代,LED连接到变压器的次级端。
  当开关接通时,电流流过变压器,而变压器次级端上的二极管处于阻断状况。当开关断开时,次级端二极管开始导通,电流流过二极管并发光。
  反激式拓扑的首要长处是LED与变压器的次级端相连。因为能够挑选绕线匝数比,所以不需求在LED的数量和功率之间进行权衡。这样的拓扑结构能够进行电阻隔,因此设备的安全性提高了,VCC的发生也更为简单。还能够给变压器增加一个辅佐绕组线圈,这样就能为操控器供给电源。
  就改进商场而言,这种拓扑首要的缺陷是其运用的实践尺寸较大。变压器(如需反馈则或许添加光耦)占用了大量空间。一些操控器,如SSL210x系列,能够一起兼容降压式和反激式拓扑。根据需求不同,如当需求安全性和杰出的散热性能时,能够选用十分紧凑的降压式运用;假如要求LED功率很高或有电阻隔,则能够运用反激式拓扑。为了取得更小的外形尺寸,SSL2101和SSL2102均集成了功率开关。
  1.3调光
  LED很简单进行调光。其发光强度大致与供电电流成正比。只需下降均匀电流,发出的光能就会减少。但是,要规划一个调光拓扑则比较复杂,需求运用不同的技能,如PWM调光、调频或者I峰值调制。
  [1].运用PWM调光时,输送至LED的瞬间电流只有两个值:0或I最大值
  –当PWM=0时,ILED=0A
  –当PWM=1时,ILED=I最大值
  经过调整PWM信号的占空比,能够改变LED均匀电流。这种技能要求转换器扮演类似于快速切换电流源的角色。这种技能的方针是包容大电流并坚持精确操控。开关损耗或许很高,特别是关于深度调光。
  [2].运用调频时,最大LED电流不变,可是转换器的频率会改变。换言之,转换器每个周期内输送至LED的能量是相同的,可是每秒钟的周期数量是改变的。调频的问题是在最小频率变得很低时会发生噪声,而在最大频率变得很高时会发生巨大的开关损耗。这些要素会增加深度调光的难度。
  [3].运用I峰值调制时,操控器频率是固定的,但电源开关的敞开时刻是改变的。因此,LED的最大电流I峰值是改变的。换言之,每秒钟的周期数是不变的,可是每个周期输送至LED的能量会减少。选用该技能进行深度调光时,要求脉冲有必要十分小。因为开关损耗过大,一般不引荐运用这种方法。
  一些操控器,如SSL2101及其衍生产品(SSL2102/03),能够将调频和I峰值调制结合运用。这样能够将每种办法的缺陷降至最低。在全功率时,能够优化开关频率来限制开关损耗。在调光状况下,一起下降I峰值和频率能够防止敞开时刻过短以及频率过低。因此,其调光水平能够低于1%。
  1.4寿数
  LED的运用寿数较长是其首要长处,其声称寿数可达5万小时。这个值比节能灯寿数要高出许多,远远超过了传统白炽灯的寿数。但是,LED不能单独运用(如上所述),需求其他器材供给驱动。在半导体职业,寿数测试的标准是1000小时。根据终究运用的作业温度不同,也选用一些系数用于器材寿数的预算。这1000小时的测试不足以保证所预算的寿数,还有必要进行加快寿数测试来保证操控器的寿数与LED的寿数相当。
  SSL210x系列产品成功经过了断温为150?C的8000小时寿数测试。根据终究运用中实践结温不同,估计寿数在115°C时能够到达4.5万小时,在105°C时能够到达7.5万小时。这些值足以支撑“SSL210x系列产品可与LED同寿”的声称。
  1.5结论
  就数量而言,LED照明灯具现在在一般照明商场上仍然是少量。但是,跟着商场逐渐升温,LED解决方案在未来几年必定逐渐占有商场主导地位。本文评论了可调光LED照明运用的几个方面。降压式和反激式拓扑结构是两种常用拓扑结构。降压式拓扑为低功耗运用供给了十分紧凑和高效的解决方案,而反激式拓扑因为具有内部电阻隔,关于要求安全和灵活的体系仍然是最佳挑选。调光器兼容性和调光范围是两个具有挑战的特性。环绕相关问题对各种挑选加以权衡将是产品成功与否的要害。当前,恩智浦供给的SSL210X系列产品简直覆盖了改进商场可调光运用的一切或许,因此能够针对每个规划进行优化,然后取得最佳的解决方案。