设计指南 4670

LED通用照明:LED照明换代产品设计

By: Piero Bianco

摘要 : 本应用笔记探讨了发光二极管(LED)在通用照明应用中的发展趋势,对比了LED与其它照明技术的性能,分析了LED灯设计以及在替代现有照明方案时主要面临的挑战。

LED照明的发展趋势

发光二极管(LED)是一项快速发展技术,正在广泛用于众多通用照明领域,通常称作固态照明。LED照明的典型应用是:室内照明(用于商业、工业及住宅环境)、室外照明(路灯、停车场照明)以及建筑、装饰照明等,最初,发光二极管由于能够发射整个频谱的彩色而被用于装饰照明。

某些情况下,LED已经成为建筑照明的有效方案。与其它照明技术相比,LED具有更优异的性能,因而成为当前通用照明市场的主流方案:
  • 与其它照明技术相比,LED具有更长的使用寿命。LED的工作寿命长达50,000个小时,而白炽灯的使用寿命只有1,000至2,000个小时,小型荧光灯(CFL)的使用寿命大约为5,000至10,000小时。使用寿命上的显著优势使得LED非常适合那些需要投入较大人力成本更换照明灯的商业和工业应用。

  • 能效优于白炽灯和卤素灯,等同于荧光灯。另外,LED的效率也在不断提高;白光LED (WLED)的效率在随后3至4年内预计提高大约50%。

  • 更小的外形尺寸。LED灯的外形尺寸等同于MR16和GU10,而CFL无法满足这类应用。

  • 可以采用适当的驱动器提供亮度调节。对于需要调节亮度的应用,荧光灯在技术上具有局限性。尽管传统的LED设计也遇到了类似问题,但是Maxim提供的LED驱动创新方案兼容于可控硅调光和后沿调光设计。

  • 具有较强的发光方向性。与其它照明技术不同,LED非常适合需要定向照明的应用,例如:小角度反射灯。

  • 温度较低时具有更高效率。荧光灯的工作效率在低温时会下降。相比之下,LED非常适合低温工作环境,例如:冰箱灯。

  • 可轻松更改发光颜色。这一优势使得RGB LED成为建筑和情景照明的理想选择,能够根据具体要求实时更改灯光颜色。

总之,LED具有白炽灯和荧光灯所不具备的众多优势。基于这些优势,设计人员也在不断地发掘适合LED照明的更多应用,但是,由于篇幅有限,我们不在此赘述。本文将主要讨论LED照明换代产品,用于替代相同规格的白炽灯、卤素灯或荧光灯。这些LED灯必须能够安装到现有规格尺寸内并兼容现有的基础设施。

LED换代灯

许多人认为LED换代灯是当前LED照明增长最快的市场。快速增长的原因很简单:这些照明灯不需要更新电气基础设施(即布线、变压器、调光器和插座),这是LED技术的显著优势。

LED灯泡
LED灯泡

MR16灯
MR16灯

对于设计人员,将LED灯安装到现有的基础架构上主要存在两方面的挑战:
  1. 外形尺寸。换代灯必须能够安装到前期灯源的框架内。

  2. 电气兼容。换代灯必须能够在现有的电气架构上正常工作,不会发生灯光闪烁。
下面,我们将逐一讨论每项挑战。

安装到现有框架

现有框架对换代灯提出了物理限制(即驱动板必须足够小)和热限制要求。这些因素制约了设计人员更换照明方案的条件(例如PAR、R和A型规格),尺寸越小的应用所面临的困难也越大,例如MR16和GU10。基于该原因,Maxim针对MR16应用推出了集成MOSFET的驱动器IC (MAX16840)。

尺寸是制约换代方案的关键因素,而热限制往往更加关键。LED只发射可见光,与其它技术不同,它们不产生红外波辐射能量。因此,白光LED比白炽灯或卤素灯的能效更高,绝大多数热量通过灯内导体耗散。

散热是制约灯管所能产生的光强的关键因素,目前在照明换代产品中使用的LED技术很难达到主流市场所能接受的亮度水平。为了突破亮度限制,需要解决散热问题,这也是产品成功地走向商业化必不可少的条件。

散热问题还直接影响到驱动板的使用寿命。为了发出更高光强,照明灯必须工作在相当高的温度下(+80°C至+100°C)。这种温度下,驱动板的寿命会限制整个照明灯的工作,特别是电解电容成为设计面临的一个棘手问题。因为电解电容在高温下会很快干燥,在这样的条件下,这种电容的工作寿命不会超过数千小时,这也成为制约整个照明灯使用寿命的因素。较长的工作寿命是LED灯的一个主要卖点,对于设计者来说,寿命相对较短的电解电容成为设计的主要屏障。

Maxim针对120VAC/230VAC输入和12VAC输入换代灯推出了独特的LED驱动方案。这些LED驱动方案可以省去电路板上的电解电容,使LED灯的寿命从通常的低于10,000小时延长到90,000小时。由于省去了电解电容,还有助于缩小方案尺寸,使驱动板能够安装到小尺寸换代灯框架内。

兼容于电气基础架构

LED换代灯必须在现有基础设施下正常工作,包括切角(三端双向可控硅和后延)调光器和电子变压器。

接入120VAC/230VAC电源时,照明灯可以首先通过三端双向可控硅调光器调节。三端双向可控硅调光器的设计能够很好地配合白炽灯和卤素灯工作,这些灯都是纯阻性负载。但是,使用LED改造灯时,LED驱动器通常为非线性、非纯电阻负载,输入桥式整流器通常在交流输入电压处于正向和负向峰值时瞬态吸收大电流。三端双向可控硅调光器无法保障LED的这一需求,因为它既不能提供所需的启动电流,也不能提供保持电流。从而使调光器不能正常启动或在工作时正常关闭,而且还会造成LED闪烁,这也是系统无法接受的现象。

作为换代产品,其电气架构更加符合12VAC输入照明灯的设计,因为电子变压器和后沿调光器可以连接到照明灯的输入。但是,12VAC输入照明灯的驱动器采用的是传统的桥式整流器和DC-DC转换器拓扑,由于变压器和调光器的不兼容性,同样也会产生闪烁。

Maxim的120VAC/230VAC和12VAC输入照明灯的解决方案采用单级转换。通过对输入电流整形,可以使照明灯在调光状态下也不会发生闪烁,这些方案兼容于双向三端可控硅和后沿调光器及电子变压器设计。目前,还没有一款MR16方案具备这一特性,也很少有PAR、R和A型灯方案具备这一特性。此外,我们的解决方案还具有优于0.9的功率因数修正,需要极少的外部元件。无需电解电容,这些电容在高温环境下会严重制约驱动电路的工作。120VAC/230VAC和12VAC解决方案均采用MAX16834 IC,可以供用户评估并投入批量生产。这些都是Maxim的独有方案,Maxim也是唯一能够提供这种优势组合的供应商。

MR16 (上图)和离线(下图)式照明灯的方案框图。关于Maxim推荐的LED照明方案的完整信息,请访问:china.maximintegrated.com/lighting。
MR16 (上图)和离线(下图)式照明灯的方案框图。关于Maxim推荐的LED照明方案的完整信息,请访问:china.maximintegrated.com/lighting