LED行業(yè)正在發(fā)動一場革命

標準電燈正在經(jīng)歷一場革命。出于保護能源和應對全球氣候變暖的考慮，英國一些州和其它一些國家開端禁止消耗低能效的白熾燈泡。各種新技術(shù)正紛紛被用于替換白熾燈泡，其中緊湊型真空熒光燈(CFL)是主要代替措施。盡管這種CFL燈的功耗僅為白熾燈的20%，但卻含有有毒物質(zhì)汞。對比之下，LED燈可以提供更高效和更環(huán)保的解決措施。

LED最初的商業(yè)應用出現(xiàn)在上世紀七十年代，但因其光輸出極低，應用范圍也**于指示燈和計算器顯示屏等領域?，F(xiàn)在，能夠產(chǎn)生白光的高功率LED在效率地方不斷得以提升，價格也在逐年回落，因此它已成為主流照明應用值得考慮的選擇之一。預估隨著LED技術(shù)的發(fā)展，到2012年其發(fā)光效率將做到150流明/瓦，1000流明的本錢將不足5美元(資料來源：OIDA)，屆時LED有望成為室內(nèi)照明的主要來源。

LED照明電源設計

就是因為認識到消耗LED來實現(xiàn)標準燈泡替換的目標是完全可行的，也為了往減小住房、辦公場所、廠商品房和市政建筑中照明能源消耗的道路上邁出非常重大的一步，英國國會專門設立了一項1,000萬美元的巨額大獎，用來獎勵**家開發(fā)出60瓦白熾燈替換燈具(在標準 A19燈泡中消耗LED)的廠家或者個人。該獎項是“點亮明天照明獎”(Bright Tomorrow Lighting Prizes)的分項獎，而“點亮明天照明獎”就是最近剛成為英國正式法律的《能源自己和安全法案》的組成部分。該獎項一旦落定，英國政府采購工作室就必須采購此類LED燈泡并在所有政府辦公場所中消耗。

不過，要想摘取該獎項，設計必須做到以下條件：燈泡必須能夠產(chǎn)生900流明的光;功耗低于10瓦(發(fā)光效率大于90流明/瓦);相對色溫(CCT)必須介于2750K至3000K之間;預期打工壽命要做到25,000小時以上，且流明維持率為70%;燈泡必須能批量生產(chǎn)和量大賣出量。

因此，有意角逐此獎項的設計項目師所面臨的主要問題是，設計出的電源必須能高效率地驅(qū)動LED，使之做到所需的亮度，而且在滿足EMC法規(guī)要求的工友，電路板的體積要足夠小，以便裝入普通燈具。因為必須在LED技術(shù)、設計和實現(xiàn)地方取得重大突破，所以無論誰成為1000萬大獎的終究得主，都將當之無愧。LED目前所做到的最高發(fā)光效率大約為75流明/瓦，但LED制造商正在取得很大發(fā)展，一旦LED的發(fā)光效率做到100流明/瓦的水平，LED燈將能實現(xiàn)90流明/瓦的目標。然而，這仍要消耗能效為90%、非常緊湊的電源。

Power Integrations廠家現(xiàn)在可以設計出能夠裝入燈泡外殼的電源措施，其能效超過90%，本錢低且適合量大生產(chǎn)。本文座談的一款基于Power Integrations廠家的LNK306PN的10W電源設計容易、本錢低，不僅其打工效率高達91%以上，能提供恒定的LED電流，而且能滿足EMI要求。

高效電源是成功開發(fā)白熾燈替換措施的必要條件，但首先會面臨散熱問題。例如，效率為70%的電源會將30%的電能轉(zhuǎn)換為熱能，除非將熱量散發(fā)出門，否則燈泡溫度的陸續(xù)增長將會大幅降低LED和電源的消耗壽命。更重大的是，消耗高效電源是盡量減小所謂的“照明總本錢”的這個基礎要求。照明總本錢包括燈泡(以及更換燈泡)的初始本錢和消耗電能的本錢構(gòu)成。如果LED燈制造商期望在LED燈市場上占取一定比例，他們就必須證明其LED燈與同類產(chǎn)品對比具有較低的總體本錢。如圖1所示，即使LED的電源效率提高1%，節(jié)能效果也非?？隙?。

如果電源效率提高1%，10W LED燈(相當于60W白熾燈)將節(jié)省0.42美元的電費。因此，如果電源效率提高10%，則這個1,000流明LED燈在其打工壽命期間所節(jié)省的總本錢將抵消其初始本錢，這樣LED燈的“照明總本錢”就會低于白熾燈的“照明總本錢”。

下文描述的電源設計采取了最少的元件數(shù)量，但在所有打工條件下的效率均超過90%。優(yōu)化電效率的容易方式是盡量提高電壓和降低電流。為實現(xiàn)這個目標，需求串聯(lián)連接LED，并消耗70V/135mA的降壓式電源(圖2)。此設計大約需求20個LED。不過，如果消耗量大的低電流LED而不是少量的高電流器件，將改良光在所有方向上的傳播效果，并使任何這個LED的功率消耗保持在較低的可控水平，從而降低燈的溫升，以延長燈的消耗壽命并提高發(fā)光效率。

該電源設計在低壓側(cè)降壓式配置中采取了這個LinkSwitch-TN器件，可以在90~132V的AC輸入電壓下提供130mA恒定電流和70V直流輸出電壓。(這個電源非常適合驅(qū)動必須采取恒流而不是恒壓驅(qū)動的LED。)

在這個電源設計中，在輸入端開展濾波可減小傳導EMI，全波整流器將在C2上生成直流電壓。負載J2、電感L2和開關(guān)操制器U1串聯(lián)連接在共同。LinkSwitch-TN器件(U1)在單片IC上集成了這個700V的功率MOSFET、振蕩器、容易的開/關(guān)操制電路、高壓開關(guān)電流源、頻率抖動電路、逐周期限流器以及熱關(guān)斷電路。

通過LinkSwitch-TN的開關(guān)操制電路可以保持輸出穩(wěn)壓，從而可以依據(jù)電壓變化和負載狀況對開關(guān)周期開展使能和禁止(跳過)。在正常打工期間，如果從光耦合器U2的晶體管饋入反映(FB)引腳的電流超過49μA，則將跳過全部開關(guān)周期。每個導通周期開端時FB引腳開展采樣，以確定是否要跳過該周期。

在U1導通期間，電流流經(jīng)電容C4、負載(70V LED串)以及電感L2。除了向負載提供一部分能量外，該電流還使L2儲備一定能量。在U1關(guān)斷期間，L2的極性反向，以試圖維持電流。反向極性為續(xù)流二極管D5提供前向偏置，以保持電流流動并繼續(xù)為C4和負載提供能量。電阻R4被用作電流檢查元件，R4上的電壓還會出現(xiàn)在R3和光耦二極管U2A之間，以便為U1提供電流操制反映。

該電源不僅能滿足EN55022B對傳導EMI的操制(EMI裕量大于10dBμV)，還可以在全部打工電壓范圍內(nèi)做到90%以上的效率(圖3)。220V輸入電壓電源也具有相似性能。

隨著未來LED效率的提高，這個電源設計允許設計項目師實現(xiàn)用來替換白熾燈、輸入功率僅為10W而能為LED提供9W功率的LED燈具。一旦輸出效率為100流明/瓦的LED實現(xiàn)量產(chǎn)，英國國會的此項大獎垂手可得。