LED向“绿色”转变需要高性能LED驱动器

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作者:凌力尔特公司产品市场工程师 Jeff Gruetter


背景

在很多家庭、机构、政府和工业应用中,高亮度 (HB) 白光 LED(发光二极管) 正在迅速取代白炽灯。在过去的一年中,白光 LED 照明系统在总的照明应用中占到 50% 以上,最终超过了彩色 LED 应用,彩色 LED 应用主要受彩色照明的美感需求驱动。白光 LED 照明增长的新驱动力相当简单:较低的能耗导致低得多的电费。在很多情况下,LED 更高的效率可将功耗降低多达 88%。它们还极大地降低了为照明而发电和传输电能所导致的二氧化碳排放量。根据Strategies Unlimited公司的研究,到 2012 年,总的高亮度白光 LED 照明市场预计将超过 50 亿美元,对应于 2009 年至 2012 年的 28% 年复合增长率(CAGR) 。这仅仅是个开始,因为在 LED 发光效率的提高继续加速了商业/住宅照明市场从白炽灯、荧光灯和高压钠灯向高亮度白光 LED 转变的同时,LED 从商业化角度来看甚至会变得更具有成本效益。

根据一些计算,从传统白炽灯和荧光灯转向 LED 照明可使当前全球总能耗节省高达 10% 。随着人们加速努力降低发电产生的二氧化碳的总排放量,全球照明能源需求降低 10% 的潜力对这种转变起到了极大的推动作用。

什么因素支持如此巨大的增长潜力?首先,目前这一代 LED 的发光效率比白炽灯高 10 倍,是荧光灯和高压钠灯 HPS) 的两倍多,从而极大地降低了提供所需光输出 (以流明量度) 所必需的电力。随着 LED 的进一步开发,它们靠电力发光的效率会继续提高,而且预计在未来几年内将翻一番。

其次,在一个非常关注环保的世界上,LED 照明不需要处理、接触和清除荧光灯中常见的有毒水银蒸气。今天用于大多数住宅照明系统的冷阴极荧光灯 (CCFL) 含有多达 5mg 的水银,而更大的灯含有的水银会多得多!

第三,白炽灯每用 1,000 小时就需要更换,而荧光灯可持续使用长达 1 万小时,相比之下,LED 的寿命超过 10 万小时。在大多数应用中,这允许 LED 永久地嵌入到最终应用之中,而无需附属装置。

实例包括室内和室外商业及住宅照明,如路灯、室内和室外工业照明以及诸如发电厂和提炼厂等有害环境中的照明。有些应用 (如提炼厂) 24 小时不间断运行的,LED 将持续使用长达 11 年,这意味着它们将从不需要更换。另外,LED 比其它类型的照明灯小和扁几个数位级,能以非常扁平的外形尺寸制造,因此它们可以永久地置入内部和外部应用中。

LED 的小尺寸还使置入 LED 外壳中的反射器能够制作得更精细,从而更高效率地聚焦光。白光 LED 提供纯的“全光谱”白色光,在色谱中没有缝隙,从而就需要可靠视敏度的任务而言,可以非常容易地看清楚。例如,查看色标导线、读取彩色标志或区分水蒸气和火焰造成的烟雾。相反,在橙黄色的高压钠灯照明环境中完成同样的任务可能很困难,因为在这种照明环境中无法准确区分颜色。

与人眼能察觉到的变化相比,LED 还能以快得多的速度调光以及接通/断开,这极大地降低了功耗。LED 照明可以调光或断开,直到需要时,再即时接通至最大光强,而荧光灯或高压钠灯需要长达 30 秒或更长的时间才能达到最大光强。

然而,照明系统设计师面临的最大挑战之一是,如何优化最新一代 LED 的所有好处。因为 LED 通常需要一个准确和高效率的 DC 电流源和一种调光方法,所以 LED 驱动器 IC 在多种应用中必须设计到满足这些需求。电源解决方案必须是高效率、坚固、非常紧凑和具成本效益。可以证明,就驱动照明从白炽灯、荧光灯和高压钠灯照明阵列向 LED 转变而言,增长最快的应用将出现在通用内部/外部照明应用中,因为在这类应用中,功耗节省的回报是最大的。


室内/室外 LED 照明

诸如尺寸小、使用寿命长、功耗低、易于调光和快速接通时间等好处已经加速了高亮度 LED 在工业和住宅照明等很多已有照明应用中被采用。LED 的长寿命和小尺寸使得在各种应用中引入新配置成为可能,这些应用包括在冰箱正面提供照明的白光 LED 阵列、以至照亮整个大学校园的更复杂系统等。以下图 1 显示的是美国纽约 Verrazano Narrows大桥,这个大桥完全由高亮度 LED 照明。LED 的高效率极大地降低了所需的电力,而它们的长寿命和耐用性在相对苛性的海洋环境中尤其重要。

图 1:LED照明的大桥


大功率工业照明

无论是在工厂、提炼厂、零售商店还是在医院中,工业照明在颜色、接通时间、调光能力、坚固性、易于设计以及当然还有效率方面都需要一些具体的标准。不过,既然采用 LED 的新照明设计一般都比白炽灯设计昂贵,那么从长远来看,就必须靠更高效率的发光来极大地节省能源成本。如前所述,与等效白炽灯相比,LED 照明提供约高 10 倍的效率,而与荧光灯或高压钠灯相比,则高 2 倍到 3 倍,因此促进了长期能源节省。诸如 24 小时不间断运行的工厂等应用,一般仅在几年内就可以收回 LED 的成本,而其他照明设计可能需要长达 5 年的时间。

LED 不用白炽灯、荧光灯和高压钠灯首选的高压 AC 电源,一般使用电压低得多的 DC 电压源,其典型范围视应用和 LED 配置的不同而有所改变,从仅为 8V 至 72V。不过,大多数新的设计都将在 12V 至 24V 的 DC 输入范围内工作,而有些改良设计会使用 12V AC 输入。

为了确保最佳性能和长的工作寿命,LED 需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够靠不精确稳定的电源轨工作,而且还必须具有成本效益和空间效益。为了保持长工作寿命,首要的是不超过 LED 的电流和温度限制。不管输入电压如何变化,LED 驱动器都能为 LED 串提供恒定电流,以保持恒定的光输出和颜色,这也很重要。出于这个原因,通常需要恒定频率、电流模式 LED 驱动器拓扑。与电压模式控制相比,电流模式控制改善了环路动态特性,并提供逐周期电流限制,从而向 LED 提供恒定电流。最后,LED 驱动器必须提供超过 90% 的效率,以最大限度地减小对外部散热措施的需求,并保持照明系统的高效率。

图 2 显示了一个由单个 LED 驱动器 IC 驱动的典型 50W LED 串,该 IC 是凌力尔特公司的 LT3756,工作在升压模式。LT3756 是一个 100V、高压侧电流检测 DC/DC 转换器,用来驱动大电流 LED。该器件 6V 至 100V 的输入电压范围使其非常适用于多种应用,包括工业和建筑照明。LT3756 使用一个外部 N 沟道 MOSFET,可以从标称 12V 的输入驱动多达 14 个 1A 的白光 LED,从而提供超过 50W 的功率。它可以用一个 24V 输入为多达 20 个 LED 供电,从而提供总共 75W 的 LED 功率。

LT3756 包括高压侧电流检测,从而使该器件能够用在升压、降压、降压-升压或 SEPIC 和反激式拓扑中。在这个例子中,LT3756 用于升压模式,可以提供超过 94% 的效率,从而无需散热措施,并最大限度地减轻了对热量的担忧。频率调节引脚允许用户在 100kHz 至 1MHz 范围内对频率编程,从而优化了效率,同时最大限度地减小了外部组件尺寸和成本。结合 3mm x 3mm QFN 封装,LT3756 可提供一个非常紧凑的 50W 至 75W LED 驱动器解决方案。

此外,LT3756 采用真正彩色 PWM (True Color PWM™) 调光,这种调光方法以宽达 3,000:1 的调光范围提供恒定 LED 颜色。就不那么苛刻的调光需求而言,CTRL 引脚可用来提供 10:1 的模拟调光范围。该器件的固定频率、电流模式架构在宽电源电压和输出电压范围内提供稳定工作。一个以地为基准电压的 FB 引脚用作几种 LED 保护功能的输入,从而使该转换器可以作为恒定电压源工作。

图 2 的设计可以在多种不同的配置中使用。LED 可以在 50W 聚光灯配置中以单阵列排列,以取代 125W 的荧光灯或高压钠灯,这几种灯的光输出都相当于 500W 卤素灯,而产生的热量与卤素灯相比却非常少。除了节省能源,由 LT3756 驱动的 LED 还提供即时接通功能、纯净得多的光颜色并能够快速和准确地对 LED 调光。或者,还可以将多达 14 个 4W 的 LED 配置为活动式投射灯,每个灯都能以同样或更好的光颜色提供相当于一个 40W 卤素灯的光输出,同时降低了非常热的卤素灯固有的火灾风险。类似地,LED 还可以取代几个荧光灯。

 

图 2:LT3756 50W LED 升压电路


 
图 3:LT3756 50W LED 升压电路的效率和 VIN


一个工业照明的案例分析

为了突出 LED 工业照明的好处 (与历史上效率最高的高压钠灯照明相比),我们可以考虑一个提炼厂的例子,如图 4 所示。在这个例子中,超过 1,000 个 250W 的高压钠灯照明系统被同样数量的 100W 白光高亮度 LED 照明系统取代,这些 LED 都是由 LT3756 驱动的。因为这些灯是每日 24 小时不间断地开着的,所以第一个主要的好处是能源需求降低了 60%。就整个提炼厂而言,这转化成每年节省 16.4 万美元成本 (按每度电 0.10 美元计算)。这种节省还可能极大地提高,因为 LED 照明系统不需要任何升温期,可以“即时接通”工作,从而在极短的时间内达到最大光强。通过在不需要时给这些灯断电,或者使用运动控制传感器以避免让这些灯 24 小时不间断工作,这个工厂还能节省多得多的能源。

另一个主要的好处是光输出的质量。正如可以在图 4 中看到的那样,工厂左手边的部分是用 LED 照明的,LED 提供全光谱纯白光,与高压钠灯 (右手边) 相比,在这种光线中更容易看清楚,而高压钠灯发出的光几乎全部在色谱的橙黄色区域,从而非常难以区分颜色。在提炼厂中,这尤其令人难受,因为要用肉眼区分水蒸气和火焰引起的烟雾是非常惨痛的事。要能够准确地辨认色标导线和彩色饰板也是很重要 (甚至在光线暗淡的情况下)。

最后,白光 LED 具有 10 万小时的工作寿命,每天 24 小时不间断工作,将持续使用超过 11 年,相比之下,高压钠灯每一两年就需要更换。与目前的高压钠灯照明相比,这进一步降低了高亮度 LED 的长期总体成本。

 

图 4:具高亮度白光 LED 灯与高压钠灯照明的提炼厂

 

结论

白光 LED 照明应用在工业/住宅通用照明领域前所未有地加速已经导致对大电流 LED 驱动器 IC 的很多具体性能要求。从面向提炼厂、发电厂等有害工业应用的大功率外部照明到内部活动式投射照明,工业应用有很多种。节能以及由此引起的二氧化碳排放量减少正在加速高亮度白光 LED 在大量商业和工业环境中的采用。所有这些应用都需要高性能 LED 驱动器 IC,以最大限度地提高效率和可靠性,同时最大限度地降低用户向 LED 照明转变的成本。这些 LED 驱动器还必须提供恒定电流以保持一致的亮度,而不管输入电压或 LED 正向电压如何变化;必须以高效率工作,并提供宽调光比。应用还要求占板面积非常紧凑和高热效率解决方案。幸运的是,LED 驱动器的设计师已经预料到了这些需求,并已经设计出满足所有这些需求的 IC。