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LED的光明前景:新驱动、新机会

Alec M. Makdessian?? Maxim Integrated业务主管?? 2015年08月26日 ?? 收藏1
LED照明是一项近乎主流的技术。换代规格的LED灯使物业管理人员和业主利用传统的电力基础设施即可享受LED的较长工作寿命和节能特性。这些环境中已安装局域网(LAN),以太网供电(PoE)技术提供了前所未有的动态监测和控制每个LED灯以及智能LED照明/传感器集中器的能力。

在2015年及之后时期,LED必将推动照明系统的设计

发光二极管(LED)是一种通过电流时会发光的半导体器件。LED的应用优势在不断发展和成熟,使其成为越来越多传统及新照明应用的首选。

LED的优势包括更长的工作寿命、更高的能效(流明/瓦)以及小巧的外形尺寸。例如,LED灯的工作寿命为50,000小时,远远超出白炽灯1,000至2,000小时的典型工作寿命,以及紧凑型荧光灯(CFL) 5,000至10,000小时的寿命。所以,LED非常适合众多商业和工业应用,这些行业都要求节能,并且接触/安全风险和高人工成本都不利于更换照明灯。10W LED灯的发光亮度相当于大约60W白炽灯,这使得LED灯的使用和维护成本低得多。LED可用于传统灯具,例如MR16;可理想用于更换这些灯座,提供较长时间及较高能效的照明。

LED发光的波长或颜色依赖于LED构造中所用的材料。使用合适的驱动器,LED则具有更大的设计灵活性,便于调光和更改发光颜色。与合适的控制器及传感器配合使用时,可根据环境中条件的变化调节发光量和颜色。这种能力使其可理想用于室内照明以及可调光路灯和室外照明等应用,根据环境光变化改变其亮度。LED调光节省的电能大约为1:1,所以将LED调光至50%将节省大约50%的电能。

设计者不断将LED应用于日益增长的各种照明应用。我们讨论两种场景下的LED应用。设计者在传统规格灯具中使用LED模块,例如MR16,LED必须与已有的电力基础设施配合工作,发挥LED灯的优势。相比之下,以太网供电(PoE) LED照明网络则采用较新或并联的电力基础设施。在讨论这些应用空间之前,我们简要回顾一下LED驱动器。

图1:LED驱动器将输入电压转换为LED要求的电平
图1:LED驱动器将输入电压转换为LED要求的电平

LED驱动器

LED驱动器为低压元件,将输入电压,例如120V、220V或277V,转换为LED要求的低压。这些驱动器也解析控制信号,调暗、调亮以及更改发光颜色(图1)。LED驱动器可采用恒流(例如350mA、700mA或1050mA)或恒压(通常为12V或24V)配置。这两种类型的驱动器不可互相交换。灯具制造商选择驱动器类型和配置,以匹配灯具中所用LED模块的电气要求。本文中我们以恒流驱动器为例进行讨论。

恒流驱动器支持脉宽调制(PWM)和恒流调光(CCR)法,在LED调光时调节输出电流。LED应用要求电流恒定,以确保输入电压波动时LED灯输出保持不变。LED驱动器不仅驱动高端和低端照明,也负责连续或步进调光。设计者根据大量应用要求的各种组合将驱动与LED进行匹配,包括驱动的LED数量、电源类型以及LED的功能特性。匹配或实现不好的LED驱动器实际上会缩短照明灯的工作寿命,引起不可预期的照明问题,例如闪变。

如果LED发光的幅度和/或频率被周期性调制或波动(不可预期),人眼会感测到。如果输入电流快速变化造成LED灯输出发生快速变化,LED就容易发生闪烁。引起闪烁的原因有很多,包括电源噪声、控制噪声、元件容限以及LED驱动器电路设计问题。

好的LED驱动器设计应考虑所有的内部和外部因素,为LED提供恒定、无振荡电流,实现无闪烁调光。

翻新改造

LED的较长寿命和较高效率使其可理想用于代替其它照明技术,尤其是白炽灯和卤素灯。将LED用于已有照明基础设施时,主要面临两项挑战。首先,更换的照明灯必须符合传统光源的外形尺寸;其次,必须在已有电气基础设施环境下无闪烁地正确工作。

将LED安装至现有外形尺寸,例如MR16 (图2),不仅限制了驱动器电路板的尺寸,而且也要考虑设计本身的散热问题。

图2:MR16规格灯具被改造为LED版本
图2:MR16规格灯具被改造为LED版本

由于LED仅发射可见光,所以热传导散热高于白炽灯或卤素灯。散热也是限制照明灯产生发光量的因素之一。当今换代灯采用的LED技术几乎达不到主流市场可接受的亮度水平。提高亮度限值,以及随之而来的散热设计,对于设计一款商业上成功的产品是必不可少的。散热的一个必然结果就是影响驱动板的使用寿命。为发射更多的光,照明灯就必须工作在相对较高的温度下(+80°C至+100°C)。在这种温度环境下,容易受高温影响的驱动器电路板会限制整个LED灯的工作寿命。

为了能够在现有电气规格下正确工作,换代LED灯必须能够配合基础设施正确工作,包括切角(三端双向可控硅/前沿或后沿)调光器和磁性或电子式变压器。每种基础设施都存在自身的技术问题。

对于卤素灯,由于耗流足够高,能够保证调光器保持导通,所以调光器工作得很好。然而,LED换代灯则不能支持可控硅调光器很好地工作,因为它既不能提供所需的启动电流又不能提供保持电流。造成的结果就是调光器不能正常启动或在工作时关闭,LED灯产生闪烁现象。

电子式变压器具有其自身的设计注意事项:要求负载为电阻性,但LED MR16灯不是电阻负载。因此,需要改变负载特性,防止电子变压器关断。LED MR16灯设计中的一项最大障碍是开发无闪烁调光并兼容电子变压器的照明灯。电子变压器远小于传统磁性变压器,当LED灯所需的电流较低时,是一项艰巨的设计问题。较低的LED电流造成大多数LED灯不能与电子式变压器配合工作。调光器会进一步减小电流,加剧了这一困难。

Maxim的MAX16840 LED驱动器采用拥有专利的固定频率、平均电流模式控制方法,解决了这一问题,并且也兼容绝大多数电子变压器和后沿调光器。

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