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灯管白炽灯驱动器全球高能效LED灯具新品及创新技术全景

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  固态LED照明的应用领域在全球范围内不断扩大:包括室内外照明、汽车内饰、电视和显示器、手机和其它消费类电子产品的背光,甚至还应用到汽车大灯中。LED比其它光源更受青睐并不难理解。根据美国能源部(DoE)多年规划设计的固态照明研究和开发项目,LED可提供比高密度放电(HID)灯、线性微型荧光灯(CFL)、卤素灯和白炽灯更高的效率和更长的使用寿命。

  与白炽灯微不足道的15流明/瓦(l/W)的效率相比,冷白光LED的能效最高可以达到132流明/瓦,使用寿命则长达50,000小时,而白炽灯仅1000小时。此外,LED灯的照明功耗仅为白炽灯的20%,这在全球都日益重视节能的今天是非常重要的优势。

  不过价格较高是其缺点。Philips AmbientLED A19替换灯的价格约为40美元,而白炽灯只需要1美元,甚至不到1美元。LED拥有长使用寿命和相当高的节省潜力,可以弥补这种价格上的悬殊。预计到2012年,二者的成本差距将缩小到目前的四分之一。

全球高能效LED灯具新品及创新技术全景  

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  美国能源部估计,如果所有用户都改用固态照明,那么截至2020年,所节省出的电力将满足3200万个家庭的用电需求。LED已经节省出的电能相当于25万个家庭的用电量。

  此外,LED输出水平已达到150流明/瓦,而且还在继续上升。已有几家LED厂商生产的高亮度LED可以提供各种光色的照明。Cree公司的LR6筒灯就是其中一个鲜明的例子。其获得专利的混色方法可产生与白炽灯相当的光,但功耗要比白炽灯低85%,使用寿命是它的50倍(图2)。

  Cree公司的LR6筒灯采用获得专利的混色方法,可产生与白炽灯相当的光,但功耗要比白炽灯低85%,使用寿命是它的50倍

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  图2:Cree公司的LR6筒灯采用获得专利的混色方法,可产生与白炽灯相当的光,但功耗要比白炽灯低85%,使用寿命是它的50倍。

  作为替代白炽灯的节能产品,LED灯泡的能效在不断提高,价格在不断下降。例如,LEDtronics公司PAR系列LED灯比白炽灯节能90%(图3)。

  LEDtronics公司PAR20/30/38系列LED灯比白炽灯节能90%,可直接插入爱迪生式螺旋口灯座。

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  图3:LEDtronics公司PAR20/30/38系列LED灯比白炽灯节能90%,可直接插入爱迪生式螺旋口灯座。

  这些LED灯泡可以使用120V交流电,也可以在90~290V交流电范围内调光,采用爱迪生中等螺口灯座和G824针插式灯泡,包括PAR20(7W)、30(12W)和38(15W)多种类型。这些产品的能效比上一代LEDtronics PAR灯泡高20%,可以直接替代功率高达100W的白炽灯和卤素灯。

  LED灯泡购买成本只是总体拥有成本中的一个因素,后者不仅涉及较低的能源成本,而且还包含较低的维护与更换成本。桑迪亚(Sandia)国家实验室的研究人员估计,目前的LED灯是白炽灯灯泡终生拥有成本的两倍,是荧光灯拥有成本的10倍。但该实验室同时预测,到2020年,LED灯的拥有成本将降至白炽灯的十分之一,荧光灯的二分之一。

  各企业和组织希望每年在能源成本上面能够节省数万美元,这是推动照明方式向LED转变的主要力量。许多商场、店铺、办公室和大楼内外装饰,都在转向LED。桥梁、隧道、公路、街道、停车场、舞台和机场也在纷纷采用LED照明。

  从事设计、开发、制造与销售高效率LED解决方案的Lighting Science Group报告称,正在忙于在上述场所安装其高性能与超高效率的灯,如Definity MR16系统。在Simon Property Group的商场摊位,这些灯正在用于替换原来的卤素灯。该公司表示,其完全可调光Definity产品的效率比卤素灯高80%,光输出比许多其它光源高50%。

  LED设计人员和用户面临的一个挑战是,光源与驱动电路之间没有标准化接口。欧洲的Zhaga联盟发起了一场全行业的行动,致力于为LED光引擎开发标准的规范。LED光引擎是拥有规定接口的LED模块,而这些接口与光引擎内部使用的LED技术类型无关。

  Zhaga将使不同厂商生产的产品具有互换性。通过为各种专用光引擎定义接口,就可以实现互换性。Zhaga标准将涵盖物理尺寸以及LED光引擎的光学、电气与热性能。

  优化驱动器设计

  驱动LED是一项复杂的任务。这是因为LED照明的应用可能会随驱动方式的变化而变化。效率和色彩准确度等性能参数会受到LED驱动方式的极大影响。德州仪器(TI)照明电源产品部策略营销总监Peter DiMaso这样解释:“LED驱动方式可以影响能效、色温和色移(由发热导致)以及闪烁效应。”

  德州仪器(TI)C2000微控制器单元(MCU)营销总监Patrick Carner认同这种看法。他也指出,德州仪器宣称其Piccolo MCU可以用于LED驱动器解决方案,允许设计人员“进一步深入数字电源控制所使用的硬件和软件”。该公司的C2000 DC-DC LED照明开发套件显示了驱动单级或多级共享功率级所需要的适当电源拓扑(图4)。

  德州仪器附带Piccolo MCU的C2000 DC/DC LED照明开发套件可简化LED驱动电路的开发,开发人员可利用该套件深入研究用于数字电源控制的硬件和软件

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  图4:德州仪器附带Piccolo MCU的C2000 DC/DC LED照明开发套件可简化LED驱动电路的开发,开发人员可利用该套件深入研究用于数字电源控制的硬件和软件(a)。(b)所示为用于驱动单级共享功率级的拓扑,以控制一个灵活的SEPIC级和八个用于相同类型和长度的LED串的独立LED调光级。(c)所示为用于不同长度和类型的LED串的多级功率级拓扑。

  德州仪器C2000系统与应用工程部的Brett Larimore指出:“妨碍设计者使用LED的一个主要因素是如何处理软件,而Piccolo控制套件简化了所有这一切。它可以一步一步地引导你完成整个设计流程。”

  利用高电流和低堆叠电压来驱动LED,同时满足能源之星和Lighting Facts Label(照明标签)要求以及欧洲标准,成为一种挑战。Lighting Facts Label是由美国能源部与环境保护署(EPA)共同制订的。其中一种解决方案是使用较少的LED元件,以更高的电流来驱动,以获得更高的光输出水平。

  使用较少的LED,意味着可以降低产品成本,但未必有利于改善EPA所要求的效率水平。实际上,效率水平往往会下降,早期A19和E27灯泡的改装应用中就出现了这种情况,其功效水平太低了。

  随着输出光水平提高,LED驱动变得更加复杂。根据海兹定律,对于给定的光波波长(光色),封装LED的单位流明成本每10年下降10倍,每个LED封装产生的光量则提高20倍。随着光输出不断提高,封装LED的有效性在某些应用中(对于1千米左右的住宅照明和10千米左右的商业照明)将变得更加有限。

  虽然今天的技术能够轻松满足这些LED的需要,但在未来几年,LED将限制在特殊的应用领域内,而且商业意义有限,除非LED驱动技术与热管理方面的具有成本效益的技术创新得到极大发展。在这方面,固态照明产业正在取得令人瞩目的稳步进展,但未来几年能否保持这个走势仍需拭目以待。

  当以较高的电流驱动的时候,LED的表现处于变化之中。较高的电流不仅带来较高的输出流明,而且会显著提高温度使之远高于LED所处的环境温度。有人估计,70%的LED能效以热量形式散发了,必须通过传导或对流来消除热量。这与LED想要取代的传统白炽钨丝灯泡形成鲜明对比。

  据美国国家半导体(NSC)的资深开发总监Jeff Perry,100W白炽灯泡的效率只有2.2%,而市场上质量最好的LED效率只有30%左右。但是,白炽灯的大部分热量通过红外辐射方式散发。LED则不是这样,它需要利用散热器和风扇控制热量。温度越高,使用寿命就越短,可靠性也会下降(图5)。

  缓解这个问题需要从多方面入手,既要改善LED性能

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  缓解这个问题需要从多方面入手,既要改善LED性能,同时也要改进驱动器电路设计。电源管理IC厂商正在为固态照明设计开发效率更高的LED驱动电路。

  早期固态照明产品所使用的老式LED驱动器拓扑,主要是对原有电压调节方案的修改,这种拓扑在今天的LED中已经很难看到。另外,用于固态照明的LED都是专用的。例如,A19/PAR型改装灯泡使用的LED不同于用于街道照明和MR16应用的LED。由于认识到了这一点,LED厂商现在提供专用LED元件。

  新型LED驱动器更加复杂先进。它们能够感知驱动电流水平,能够在电流超过建议水平时加以调节。它们还能够补偿发热与老化导致的变化,保证稳定的光输出。它们的热保护电路可使过热造成的LED损害程度降到最低,更好地防止LED因过热而失效。

  NSC的LM3464和LM3424驱动器采用了一种热管理方案,该方案通过降低输出来调节电流,使LED保持在最大工作温度范围之内。国家半导体还推出了LM3445 LED驱动器,以满足严格的欧洲EN61000-3-2标准,该标准对功率超过25 W的照明产品的总谐波失真规定了严格的限制(图6)。为了达到功率因数校正(PFC)要求,该驱动器使用PFC来使输入电流与输入电压保持同相。

  NSC的LM3445 LED驱动器可使设计人员满足严格的欧洲EN61000-3-2标准,该标准对功率超过25W的照明产品的总谐波失真规定了严格的限制

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  图6:NSC的LM3445 LED驱动器可使设计人员满足严格的欧洲EN61000-3-2标准,该标准对功率超过25W的照明产品的总谐波失真规定了严格的限制。

  意法半导体(ST)HVLED 805的离线LED驱动器具有初级感测反馈(图7)。这种高电压脉宽调制(PWM)电流模式控制器将一个低压PWM控制器与一个800V功率MOSFET整合在一个8.75×3.99mm2的微型SO16N封装中。该驱动器采用交流电源供电,精度在±5%以内,并提供准谐振零电压开关功能,目标应用为E27和GU10改装灯。

  意法半导体HVLED 805的离线LED驱动器具有初级感测反馈。该驱动器将一个低压PWM控制器与一个800V功率MOSFET整合在一个微型SO16N封装中

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  图7:意法半导体HVLED 805的离线LED驱动器具有初级感测反馈。该驱动器将一个低压PWM控制器与一个800V功率MOSFET整合在一个微型SO16N封装中。

  IC驱动器还可以用于与日俱增的背光应用中,这些应用包括电视、笔记本电脑、手机和其它消费电子产品。Advanced Analogic Technologies的AAT14xx系列31mA单通道升压LED驱动器能驱动一串多达10个LED组成的单个LED串。AAT14XX 采用1.15×1.55mm2的10引脚晶片级封装(WLCSP)。据该公司介绍,AAT14XX 系列驱动器的尺寸比1.3×2.9mm2的SOT23封装小80%,比2×2mm2的QFN封装小35%。

  Microsemi公司最近发布了一款参考设计,这款参考设计能够使成本较低的液晶面板产生质量更高的图像。该设计利用索尼(Sony)的CXD473063定时和照明控制器,以及Microsemi公司面向新一代3D液晶电视的DAZL! LED驱动器技术。Microsemi的双芯片解决方案包含DAZL! 2000系列32端口LX24232逻辑芯片和8端口LX23108L LED驱动器电源芯片。

  驱动串联LED串(比如照明应用中每串多达20甚至更多的LED)可能出现问题。一个LED发生故障就会导致整串LED熄灭。对于这个问题,Bourns LSP系列分流器可以保护串联LED串中的单个LED。

  微控制器改善照明应用能效

  微处理器正在改变照明应用的所有三个领域:灯泡替换、标准照明和嵌入式照明。最明显的领域是灯泡替换领域。由于设计人员拥有了极高的灵活性,不再受到外形尺寸和电源的限制,因此标准照明市场出现了相当多的创新。

  LED替代方案具有各种不同的外形尺寸。挑战往往是如何进行LED布局才能提供原有的照明特性。

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  图8:LED替代方案具有各种不同的外形尺寸。挑战往往是如何进行LED布局才能提供原有的照明特性。

  螺口灯泡往往适合面向新型CFL灯和LED灯(图8)的最流行的改装应用,而LED(图9)也正在过去荧光灯的应用领域中找到了一席之地。由于外形尺寸的限制和电源问题,这两种灯泡面临着同样的挑战。螺口安装应用普遍存在发热问题。不过微控制器可以给这些替代应用提供极大的优势。

  荧光灯的LED替代方案还涉及去掉镇流器。LED灯管一般与电源直接相连

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  图9:荧光灯的LED替代方案还涉及去掉镇流器。LED灯管一般与电源直接相连。

  请记住,微处理器往往是系统中最小的元器件之一,与电容和其它器件相比,微处理器的尺寸一般要小得多。同样,除了提供实现各种功能所需的足够I/O之外,其功能几乎不会受到封装尺寸的限制。简单的任务可能需要几个引脚,比较复杂的照明任务则需要更多引脚。

  根据所支持的照明技术、设计复杂性以及支持硬件的成本和数量,要求可能有很大不同。CFL灯需要单个灯管的控制,而大多数应用都需要多个LED。

  这一市场的基本组成包括开/关灯和调光灯。开/关灯一般没有微处理器,不过微处理器可以为设计人员提供优势。由于一般都存在灯泡使用寿命与达到全光照强度的速度的折衷,因此这些优势一般都包括可以为CFL灯提供更优的开关电源时序。

  模拟技术往往会让CFL灯内部所需的电弧在初始启动耗费大量功率。这对于大多数微控制器来讲是小事一桩,复杂的定时程序在处理更多一点的工作时,通常会将几乎空闲的微处理器变成一款略显无聊的芯片,除非它同时也进行先进的功率因数校正。

  其它调光产品的挑战在于能否实现不同的调光策略。一般的调光器采用可控硅对传送到灯的交流电流进行微调。这里的问题在于,实现这一点的方式会随不同的供应商,甚至同一个产品线的不同产品而有所不同。如果受控器件是单个灯丝灯泡,由于这种灯泡的照明响应特性,产生的影响会很小或者根本没有影响。

  问题是数字照明解决方案正在尝试采用输入电源供电,经过转换后,以供照明子系统高效地利用。可以采用模拟解决方案,不过许多灯泡都被退回了,因为它们无法处理这个领域内所有可能的调光器开关。

  数字照明设计人员的挑战是构建一个能够识别系统状态,并且可对进入灯泡的非理想正弦波作出响应的系统。这个问题并不像想象中的那么简单,因为新型数字照明的响应曲线需与其替代的白炽灯的响应曲线相似。白炽灯用来发光的功率至少为其额定功率的15%,线性灯响应需要指数功率曲线。

  从某种意义上讲,新技术正在以舞台照明和众多其它的先进产品为标准进行开发。在这些系统中,由于总体工作的非线性度极高,因此可以将用来处理这些关系所增加的成本以及人眼对光的响应考虑在内。

  箝制输入电压与光输出的关系需要将这些因素与替代技术的特征融合在一起考虑。CFL灯与LED灯的这些特征可能有所不同。所需的电源数量一般不是问题,不过正确地控制电源就可能就成问题了。

  由于LED具有高效率和长使用寿命,因此LED正在替代改装市场中的荧光灯。LED灯的使用寿命一般至少为荧光灯的5倍,而功耗则只有荧光灯功耗的一半左右。此外还有一个灯管退化方式的问题。由于LED灯是由许多独立的LED组成的,因此LED灯会逐渐出现故障。不过,如果电子控制器件出现故障的话,则会导致整个灯泡出现故障。

  与螺口安装替换应用相比,更改为LED灯管要稍微复杂一些,因为生产具有荧光灯管电气特性的LED灯管的成本相当高。LED灯管需采用低压直流电源供电,而荧光灯管则需要较高电压的交流电源供电。荧光灯管镇流器实际上是现在的限幅器,因为这种灯管的电阻会在流经灯管的电流增加时下降。不过以后更多地是用作镇流器。

  设计人员可以替换或去掉普通的T8和T12等LED灯管的镇流器和开关。新型LED灯管必须具有与螺口安装更换灯相同的功能,不过外形尺寸大有不同。最普遍的方法是用电源控制单元替换镇流器,并将交流电线直接连至灯管。

  替换镇流器的结果是需要采用必须能与控制单元匹配的稍便宜的灯管。在连接交流电线时,电源控制单元是包含在灯管内部的。由于灯管一般由一个大电路板组成,这个电路板的一面是LED,另一面用于容纳电子器件,因此电子器件有相当大的空间。

  这两种方法都需要改变灯具内部的布线。此外,这些灯具看起来与荧光灯灯具相似,不过它们只能与LED灯管一起使用。LED灯管与相同尺寸的荧光灯管的差别在外表上看非常明显。如果灯具与灯管不配的话,灯是不会发光的,而且在某些情况下可能会造成严重的毁坏。

  集成式LED灯管很容易安装,只需切断镇流器上的电线,然后将电源线重新连接到灯座。一般会将镇流器保留在原来的位置。

  螺口安装LED灯泡和灯管的唯一区别在于外形尺寸。由于现在涉及到电路板设计,因此这可以简化设计问题。灯管可能包含用于所有LED串的单个控制器或者多个控制器。

  由于成本是一个极为重要的因素,并且数量相当大,因此定制技术在改装市场中的批量解决方案中占主导地位。几十亿个灯泡可以转化成很多硬件。

  什么样的微处理器适合照明应用

  微处理器在照明应用中的应用范围非常广泛,由于涉及的变量个数以及芯片和外设的架构,即使在特定的应用中也很难判断哪一种微处理器最好。许多应用可以采用8位和16位微处理器,特别是在注重低成本和小尺寸的应用中。

  此外,在涉及通信时采用16位和32位微处理器往往更为合适,不过这取决于将采用哪一种通信以及它们的工作速率。数字可寻址照明接口(DALI)等许多标准的运行速率都为1200波特率,并在该速率下采用半双工数据传输。

  在选型过程中,外设要求往往更令人感兴趣。这些要求还是取决于具体的应用,可能需要模拟传感器和模数转换器(ADC)或脉宽调制器(PWM)输出。

  大多数微处理器中的标准PWM都可以满足许多照明任务的要求。不过,像电机控制一样,一些应用可能会受益于专用的功能。采用PWM时,部分照明要求与电机控制的要求会有所不同。

  电机控制PWM可以提供各种有用的功能,例如能够包含同步PWM输出之间的死区时间,通过连接的MOSFET防止开关问题等。此外,一些微处理器还可以通过皮秒级精度调谐上升或下降边沿(虽然整体时序特性可能采用16位计数器)。

  照明PWM要求有时候也需要处理外部硬件问题。例如,PWM流经常用来近似计算正弦信号或者驱动音频放大器。照明领域的问题在于谐振频率,它可能会导致硬件以次优模式工作,造成CFL灯出现闪烁变效应。

  解决这个问题的一个方法是在方程式中引入一些随机性。一些微处理器具有PWM,可以通过伪随机或表驱动的值切换PWM流。通过在硬件中包含这种支持,可使低端微处理器提供该功能。

  PWM支持是大多数照明控制的关键。即使在其它技术功耗更高或者提供的功能更少时也采用这种支持。例如,LED甚至也可以提供可利用的非线性性能。在许多情况下,实现最大亮度需要采用大电流恒流源。

  而适合的PWM流可以做同样的事情。CRT在其荧光点进行脉冲调节时采用同样的方法。类似的调节方法会影响光色和电源要求等其它特性,具体取决于受控制的器件。采用这种方法有时候可以实现更精细的控制或可以节能。即使是很少的节能也可以积少成多。

  单个微处理器可以控制一个器件,如CFL灯或多个LED串。这对于壁橱照明应用而言已经足够了,不过通常情况下都将多个灯和灯座组合起来。这是多个微处理器的用武之地。

  微控制器供应商提供了很多照明开发工具包和参考设计。微芯公司(Microchip)的数字LED照明开发工具包(图10)提供一个16位dsPIC33数字信号控制器,该控制器可以处理包括功率因数校正(PFC)在内的电源管理任务。不同的插件模块突出LED支持。

  微芯公司的数字LED照明开发工具包提供一个16位dsPIC33数字信号控制器,该控制器可以处理从镇流器控制到功率因数校正(PFC)等所有电源管理任务

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  图10:微芯公司的数字LED照明开发工具包提供一个16位dsPIC33数字信号控制器,该控制器可以处理从镇流器控制到功率因数校正(PFC)等所有电源管理任务。

  恩智浦半导体(NXP)在其DALI模块中整合了一个32位Arm Cortex微控制器,该模块支持一个定时器/捕捉接口。它还可以处理六路照明控制输出。DALI协议堆栈支持四路PWM输出。

  意法半导体也在DALI平台中采用了ARM微控制器。除了照明控制支持之外,其基于Cortex-M3的STM32微控制器还提供各种通信选择方案。意法半导体还拥有专门面向HID应用的带外设的ST7微控制器系列以及另外一个专门面向CFL应用的产品系列。

  赛普拉斯半导体(Cypress)的可编程系统级芯片(PSoC)可配置微控制器是照明应用的理想选择。Cypress CY3268 PowerPSoC照明入门工具包可用来处理芯片驱动的高亮度LED。有一种特别的PowerPSoC嵌入式电源控制器可以驱动多达四个1A/32V独立通道。PSoC微处理器在DALI和DMX设备中也得到了广泛的应用。

  制造良率是降低成本的关键

  LED在固态照明领域的应用日趋广泛,在大型晶圆上面制造LED并取得较高的良率是降低其成本的关键。目前的多数LED是在基于GaN(氮化镓)的2英寸和4英寸蓝宝石晶片上面生产出来的,存在良率不一致的问题,因此需要对颜色亮度、正向电压和其它变量进行检测并根据结果分档。

  加上装配与封装步骤,LED成本就会升得更高。目前的普遍良率是30%甚至更低。实际上,专家预计2020年以前都达不到40%或者更高。

  LED厂商计划未来几年采用良率较高的外延金属氧化物化学气相淀积(MOCVD)工艺,向6英寸晶圆过渡,然后过渡到8英寸晶圆,以获得更高的良率。通过严格控制温度、流动和材料成分,可以做出那么大的晶圆。LG电子(LG Electronics)去年开始采用6英寸晶圆生产LED。Philips Lumileds和Lextar Electronics也接近这样的水平。有些公司将于明年生产8英寸晶圆样片。

  “如果LED产业将来继续增长,其推动力一定是来自普通照明领域,”致力于在欧洲推广和发展LED产业的非营利组织欧洲光电产业联盟(EPIC)秘书长Tom Pearsall表示,“而且这有赖于所有方面不断取得重大进展,涵盖从基础研究、材料到产品设计和制造效率等方方面面。”


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