新聞中心

加入照明革命—NXP新一代可調光LED燈具應用設計的關鍵

 2010-11-03
恩智浦提供的SSL210X系列產品幾乎覆蓋了改良市場可調光應用的所有可能,因而可以針對每個設計進行最佳化,從而獲得最佳的解決方案。更多恩智浦照明驅動器和控制晶片的優勢,可參考www.cn.nxp.com/experience_lighting

簡介
近年來,隨著LED燈具的出現,照明領域發生了革命性的變化。在歐洲和美國的零售商店,古老的白熾燈泡已難覓蹤跡,甚至禁止銷售。而在替代燈具市場,低功耗的緊湊型螢光燈(CFL)現在面臨著新的競爭對手。LED技術正在不斷改進,LED燈具在亮度和功率方面日益強大。這些特性再加上其特有的高能效,使LED燈具成為照明的理想選擇。

一般白熾燈泡每瓦能產生10流明,而LED製造商宣稱LED燈具每瓦最高可達到100流明。然而,外形和最高工作溫度的局限使得LED難以發揮全部潛力。目前性能最好的LED替代燈具,效率可達到每瓦50-60流明。因此,LED燈具在效率標準方面與CFL燈具已經難分伯仲(注:CFL燈的效率範圍為每瓦60-70流明,且改進潛力有限)。

生態問題也日益受到公眾關注。隨著人們對全球變暖和氣候變化等環境問題的意識不斷提高,節約資源和能源的理念正成為很多市場行銷策略的要點。
過去10年間汽車油耗的降低和白熾燈的禁用很好地說明了這一趨勢。全球多國政府已經制定白熾燈淘汰的時間表。還有一些公共政策專門為節能環保的「生態」產品提供寬鬆的稅收支援或其他財務幫助。

LED的內在優勢非常符合公眾對安全、節能和環保照明解決方案的熱切期盼。LED還有許多其他優點,如較高的調光能力、較長的使用壽命和較小的外形尺寸,在外形、顏色、壽命和成本方面打開了方便之門。

採用在機械、光、電和熱等各方面都相容的LED照明解決方案替代傳統的照明源(螢光燈、CFL節能燈、鹵素燈或其他白熾燈)是一場正在發生的工業變革。商務、辦公和住宅照明市場呼喚高品質的LED改良燈具。儘管成本問題仍然是這些解決方案的主要障礙,但同時還需要注意以下技術問題:
• 與現有基礎設施的電氣相容性,特別在使用標準入牆式插座調光器時。
• 外形須採用螺口型式
• 必須解決LED的散熱問題

1.1 調光器的相容性
目前,家庭、旅館和辦公場所照明燈具的控制設備都是針對白熾燈設計安裝的。提供調光功能的最好方法是使用「市電切相」調光器。這種調光器原理上是為白熾燈供電而開發的。從電學方面看,白熾燈可視為一個電阻性負載。

而電子照明源(如CFL節能燈或LED燈)的電氣等效負載則不再是純阻性負載。這樣在調光器工作方式上就產生了很大的不同。負載使用不當會導致系統功能失常,可能出現令人非常不舒服的閃爍、甚至損壞燈具或調光器。這樣可能引起用戶不滿,從而推遲採用LED解決方案。目前,調光器仍然價格昂貴且難以安裝。因此,推出相容現有調光器的優質解決方案成為兌現LED照明推廣承諾的必然。

切相調光器雖然類型各異,但是工作原理基本相同(即在每個週期切掉部分電源正弦波)。這可以通過開關來實現。開關接通時,電源就輸送到負載(燈泡)。開關斷開時,則不供電。通過調節開關導通時間,就可以調節供給負載的總能量。

調光器分為兩類:前沿切相型和後沿切相型。見圖 1。
• 前沿切相調光器,就是在電源半週期開始時切相。經過了與調光位置相對應的一段時間後,開關才導通為負載供電直至半週期結束。經過零點後,重複相同操作。見圖 1和圖 2。
• 後沿切相調光器,就是開關在半週期開始時導通,經過與調光位置相對應的一段時間後斷開,並將斷開狀態保持至半週期結束。經過零點後,重複相同操作。見圖 3和圖 4。
NXP-1.jpg


要完成切相,主要使用兩個技術:TRIAC(雙向可控矽)開關或電晶體開關。TRIAC調光器多為前沿切相調光器。電晶體開關既可以是前沿切相調光器也可以是後沿切相調光器。TRIAC調光器的問題是它需要滿足特殊的條件才能正常工作:TRIAC可以通過觸發柵極來打開,一旦觸發,仍需要一個最小的電流來維持其處於導通狀態。這個觸發電流被稱為「閂鎖電流」,而且為了保持TRIAC導通,電流必須載入一段時間。

一旦器件被閂鎖,必須有持續的電流供應。這個電流被稱為「保持電流」。如果這個電流斷開或減弱,TRIAC將關斷。

為了相容調光器,LED燈具必須吸收調光器所需的保持電流。例如,如果一支6W的LED燈(大致相當於40W的白熾燈泡)要與一個最小負載為10W的調光器配合使用,就需要一些額外電路來提供足夠的保持電流。在這種情況下,燈泡效率會降低,但與40W相比仍然是高效率。如果沒有這個電路,LED燈則無法正常工作。不同調光器的保持電流有所不同。

因此,額外損耗越大,與調光器的相容性就越好。可調光應用的設計難點就在於找到燈具效率和調光器相容性之間的最佳權衡。

恩智浦的SSL2101(及其衍生產品SSL2102)有兩個由IC控制的整合泄放開關。通過外接電阻,可以設置兩個不同的泄放電流。IC為電流選擇提供了更大的靈活性,並優化了調光器相容性。SSL2103(SSL2101的僅控制器整合版本)中則去掉了整合的泄放開關,但可以用低成本的外部雙極型開關(仍由IC驅動)代替,可選擇提供更高的泄放電流。同時,該版本還移除用於轉換器操作的內置MOSFET,但可以進行外部修正,從而形成滿足特定調節要求的解決方案。

1.2 選擇外形尺寸與拓撲結構的關係
LED燈具本質上屬於電流驅動型。它們的發光強度大致與通過電流成正比。因此,可以採用不同的拓撲結構使用市電來驅動。拓撲結構選擇的關鍵目標之一是確定最終應用的外形尺寸。小於15W的低功率LED燈主要針對現有燈具的改良應用。這意味著燈泡的形狀必須與現有傳統燈具相近。

目前市售產品主要採用下面三種拓撲結構:
1.2.1 LED與電阻串聯

• LED與電阻串聯,電阻與市電直接相連。這種拓撲最簡單。只要電源電壓高於二極體正向電壓之和,LED即導通。LED的最大電流由電阻值決定:
NXP-2.jpg

其中n是LED的數量, Vf是其正向電壓。

這個解決方案簡單但效率不高。例如,一個12W的應用,其LED的最大電流可能達500 mA。總正向電壓將為24V。對於220V的交流市電,所需電阻值為574。這個電阻在電流為500mA時將消耗143W功率。當然,我們可以考慮使用低電流二極體,但達到相同功率所需的Vf更高。這樣做的直接後果是,開啟時間大幅縮短,且會出現閃爍。

1.2.2 降壓式拓撲
• 降壓式拓撲是最高效的拓撲結構之一。其基本原理如圖圖 5所示。
NXP-3.jpg


當開關接通時,電流流過LED線圈並發光。為了控制電流值,一個感測器電阻與地串聯。通過檢測該電阻上的電壓,當其達到過流保護(OCP)值時,開關會斷開。線圈中存儲的能量則通過續流二極體和LED釋放。

這種拓撲有兩大優點:
• 首先是效率非常高,特別是低功率應用時(小於10W)。使用這種拓撲的LED普通照明燈通常宣稱其效率高於90%。
• 第二個優點是外形尺寸。總體外形尺寸對於燈具改良市場非常重要,因為最終的產品外形必須與傳統白熾燈或鹵素燈產品相近。降壓式拓撲不使用變壓器或光耦器件,因此線圈相對較小,特別在開關頻率相對較高時尤其如此。
這種拓撲也有兩個主要缺點
• 這種拓撲的主要缺點是不提供任何電氣隔離。考慮到散熱因素,LED通常安裝在金屬散熱器上。這樣,出於安全原因,會強制要求電氣隔離。
• 第二個缺點是LED與線圈串聯。這樣就需要在二極體的總正向電壓與轉換器的最大損耗之間進行權衡。如果輸入和輸出之間壓差過大,就會降低效率。

1.2.3 反激拓撲
反激式拓撲結構中,線圈由變壓器代替,LED連接到變壓器的次級端,如圖圖 6所示。
NXP-4.jpg


當開關接通時,電流流過變壓器,而變壓器次級端上的二極體處於阻斷狀態。當開關斷開時,次級端二極體開始導通,電流流過二極體並發光。

反激式拓撲的主要優點是LED與變壓器的次級端相連。由於可以選擇繞線匝數比,所以不需要在LED的數量和效率之間進行權衡。這樣的拓撲結構可以進行電隔離,因而設備的安全性提高了,VCC的產生也更為簡單。還可以給變壓器增加一個輔助繞組線圈,這樣就能為控制器提供電源。

就改良市場而言,這種拓撲主要的缺點是其應用的實際尺寸較大。變壓器(如需回饋則可能添加光耦)佔用了大量空間。一些控制器,如SSL210x系列,可以同時相容降壓式和反激式拓撲。根據需求不同,如當需要安全性和良好的散熱性能時,可以採用非常緊湊的降壓式應用;如果要求LED功率很高或有電隔離,則可以使用反激式拓撲。為了獲得更小的外形尺寸,SSL2101和SSL2102均整合了功率開關。

1.3 調光
LED很容易進行調光。其發光強度大致與供電電流成正比。只要降低平均電流,發出的光能就會減少。然而,要設計一個調光拓撲則比較複雜,需要使用不同的技術,如PWM調光、調頻或者I峰值調製。
• 使用PWM調光時,輸送至LED的瞬間電流只有兩個值:0或I最大值
– 當PWM=0時,ILED= 0 A
– 當PWM=1時,ILED = I最大值
通過調整PWM信號的占空比,可以改變LED平均電流。這種技術要求轉換器扮演類似於快速切換電流源的角色。這種技術的目標是容納大電流並保持精確控制。開關損耗可能很高,特別是對於深度調光。
• 使用調頻時,最大LED電流不變,但是轉換器的頻率會改變。換言之,轉換器每個週期內輸送至LED的能量是相同的,但是每秒鐘的週期數量是變化的。調頻的問題是在最小頻率變得很低時會產生雜訊,而在最大頻率變得很高時會產生巨大的開關損耗。這些因素會增加深度調光的難度。
• 使用I峰值調製時,控制器頻率是固定的,但電源開關的開啟時間是變化的。因此,LED的最大電流I峰值是變化的。換言之,每秒鐘的週期數是不變的,但是每個週期輸送至LED的能量會減少。採用該技術進行深度調光時,要求脈衝必須非常小。由於開關損耗過大,一般不推薦使用這種方式。
一些控制器,如SSL2101及其衍生產品(SSL2102/03),可以將調頻和I峰值調製結合使用。這樣可以將每種方法的缺點降至最低。在全功率時,可以優化開關頻率來限制開關損耗。在調光狀態下,同時降低I峰值和頻率可以避免開啟時間過短以及頻率過低。因此,其調光水準可以低於1%。

1.4 壽命
LED的使用壽命較長是其主要優點,其宣稱壽命可達5萬小時。這個值比節能燈壽命要高出許多,遠遠超過了傳統白熾燈的壽命。然而,LED不能單獨使用(如上所述),需要其他器件提供驅動。在半導體行業,壽命測試的標準是1000小時。根據最終應用的工作溫度不同,也採用一些係數用於器件壽命的估算。這1000小時的測試不足以確保所估算的壽命,還必須進行加速壽命測試來確保控制器的壽命與LED的壽命相當。

SSL210x系列產品成功通過了結溫為150°C的8000小時壽命測試。根據最終應用中實際結溫不同,估計壽命在115°C時可以達到4.5萬小時,在105°C時可以達到7.5萬小時。這些值足以支持「SSL210x系列產品可與LED同壽」的宣稱。

1.5 結論
就數量而言,LED照明燈具目前在普通照明市場上仍然是少數。然而,隨著市場逐漸升溫,LED解決方案在未來幾年必然逐漸佔據市場主導地位。本文討論了可調光LED照明應用的幾個方面。降壓式和反激式拓撲結構是兩種常用拓撲結構。降壓式拓撲為低功耗應用提供了非常緊湊和高效的解決方案,而反激式拓撲由於具有內部電隔離,對於要求安全和靈活的系統仍然是最佳選擇。

調光器相容性和調光範圍是兩個具有挑戰的特性。圍繞相關問題對各種選擇加以權衡將是產品成功與否的關鍵。當前,恩智浦提供的SSL210X系列產品幾乎覆蓋了改良市場可調光應用的所有可能,因而可以針對每個設計進行優化,從而獲得最佳的解決方案。更多恩智浦照明驅動器和控制晶片的優勢,可參考http://www.cn.nxp.com/experience_lighting