探索LED燈具：過去、現(xiàn)在和未來

在美國(guó)，傳統(tǒng)的 100W 和 75W 白熾燈已很少見，60W 和 40W 的白熾燈也將在今年逐漸停售。鹵素?zé)簟⒕o湊型熒光燈 (CFL) 和 LED 燈等技術(shù)產(chǎn)品均爭(zhēng)先恐后要取代白熾燈。其中，鹵素?zé)艉?CFL 已被使用了一段時(shí)間，LED照明設(shè)備則只是在最近五年才因技術(shù)效率顯著提高而變得非常實(shí)用。發(fā)光效率被定義為光通量(流明或 lm)與輸入功率(瓦特或 W)的比率或?qū)懽鰈m/W。與汽車燃油經(jīng)濟(jì)性類似，它是對(duì)一種光源發(fā)光效率的計(jì)量。

顯然，CFL 與 LED 都是高效光源的上好選擇，而以現(xiàn)在的市場(chǎng)價(jià)格看，CFL 似乎最經(jīng)濟(jì)劃算。但是 CFL 存在一些環(huán)保問題，因?yàn)樗鼈兒�有微量的汞，需要特殊的處理方法。此外，安裝標(biāo)準(zhǔn) TRIAC 調(diào)光器后 CFL 的調(diào)光效果通常(或根本)不佳。公平地說，早期的 LED 燈具并非十全十美。有些產(chǎn)品發(fā)出的光不夠柔和悅目，有些使用壽命沒有廣告上說的那么長(zhǎng)，還有些調(diào)光效果不太好。不過，目前這已在很大程度上得到了改進(jìn)，因?yàn)闊艟咧圃焐毯碗娮赢a(chǎn)品供應(yīng)商為了達(dá)到能源之星 (EnergyStar) 標(biāo)準(zhǔn)，已解決了許多這樣的問題。

那么，為什么 LED燈具還那么貴呢?和任何新技術(shù)一樣，初始成本往往很高，但隨著商品化程度的提升，成本就會(huì)迅速降低。白熾燈已經(jīng)存在了 100 多年，而照明級(jí) LED 問世尚不足 10 年。雖然白熾燈和 LED 燈的外觀可能相似，但它們的內(nèi)部卻有很大的不同。白熾燈將燈絲通電產(chǎn)生光。燈絲是電阻性負(fù)載，加熱到白熾狀態(tài)即可產(chǎn)生可見光。當(dāng) P = I2R 時(shí)，增加或減少到燈絲的 RMS 電流就可以增加或減少亮度，從而形成了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的光源，該光源的亮度很容易通過簡(jiǎn)單的相位切換技術(shù)(如 TRIAC 調(diào)光器采用的技術(shù))進(jìn)行控制。

另一方面，LED 燈則是包含電子和機(jī)械零部件的一個(gè)復(fù)雜組合：LED、光擴(kuò)散板、散熱片和一個(gè)開關(guān)模式的電源 (SMPS)，該電源可將 50Hz 至 60Hz 的交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換成適合 LED 使用的恒定直流電 (DC)。無需多費(fèi)腦筋就能想到這會(huì)比白熾燈更貴 —— 而且貴得多。

當(dāng)前的挑戰(zhàn)是如何在不影響質(zhì)量的前提下降低 LED燈具的生產(chǎn)成本。LED 組件制造商正在盡自己的一份力量。每一代新型 LED 芯片的出現(xiàn)都使 LED 的發(fā)光效率有所提高。與此同時(shí)，LED芯片的價(jià)格卻在下降。更低的功耗即可發(fā)出同樣的光量，這意味著 LED 中被轉(zhuǎn)化成熱量浪費(fèi)掉的能量減少了。次要影響是，更高效的 LED 還可降低散熱要求，減小燈具內(nèi)熱管理所需的導(dǎo)熱材料體積。更少的材料意味著更少的成本。最后是 LED 燈具電子產(chǎn)品。而今，要把電源 AC 電流轉(zhuǎn)化為 LED 所需要的恒定 DC 電流，可用 SMPS 來實(shí)現(xiàn)。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有反激式結(jié)構(gòu)和降壓式機(jī)構(gòu)。圖 2 展示了一個(gè)簡(jiǎn)化的降壓 SMPS�；�本元件包括：一個(gè)整流器、能量緩沖級(jí)器件、一個(gè)電感器、一個(gè) MOSFET 和一個(gè)由脈沖寬度調(diào)制器 (PWM) 組成的 IC。對(duì)于低功率級(jí)應(yīng)用，可將 PWM 和 MOSFET 組合成一個(gè)單一的 IC 封裝，以減小體積從而節(jié)省空間。為基于 LED 的燈具設(shè)計(jì)一個(gè)合適的 SMPS 要考慮的一些因素包括：功率因數(shù) (PF)、低總諧波失真 (THD)、低電磁干擾 (EMI) 和相位調(diào)光能力。

制作與傳統(tǒng)墻壁調(diào)光器兼容的 LED 燈具大大增加了復(fù)雜性。在 LED 燈具出現(xiàn)及被使用之前，很少有 SMPS 需要在比其額定 AC 電壓低10% 至 20% 以上的條件下工作。但在可調(diào) LED燈具中，SMPS 的工作電壓范圍則要從接近零電壓直到全電壓，并且要模仿傳統(tǒng)白熾燈所出現(xiàn)的亮度變化來工作。這些挑戰(zhàn)是許多應(yīng)用手冊(cè)、文章和會(huì)議論文的主題。但從根本上說，該問題可概括為如何用類似電阻的電子元件解決方案取代電阻式燈絲。

高壓 LED 串的開關(guān)控制型 AC 直接驅(qū)動(dòng)器很容易實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并且體現(xiàn)了一款新型高電壓開關(guān)(適用于 LED 的 AC 直接驅(qū)動(dòng)器)背后的理念。德州儀器 (TI) 的 TPS92411 高壓開關(guān)為 LED 加設(shè)旁路或串聯(lián) LED，以應(yīng)對(duì)整流后的 AC 在半個(gè)周期內(nèi)的上升或下降情況。它們與線路調(diào)制恒流線性穩(wěn)壓器并聯(lián)運(yùn)行，以產(chǎn)生近似正弦的輸入電流波形 —— 就像一個(gè)電阻器。當(dāng)AC 電流隨著線路電壓發(fā)生相位變化時(shí)，低 THD 和高 PF 都可得到確保。

在一個(gè)典型的實(shí)施方案中，開關(guān)和 LED 段以二進(jìn)制方式運(yùn)行，隨 AC 電壓向上或向下計(jì)數(shù)。例如，一個(gè) 120VRMS 的應(yīng)用可包括 20V、40V、和 80V 的 LED 堆棧。LED 的總電壓和線路峰值之間的差是余量，該余量將由線性穩(wěn)壓器進(jìn)行管理。

當(dāng) AC 電壓為 0V 時(shí)，所有開關(guān)都是關(guān)閉的，并提供電源和線性穩(wěn)壓器之間的直接連接。當(dāng) AC 電壓從 0V 增加至大約 20V 時(shí)，需要額外上升幾伏以保持線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)定，20V 的開關(guān)打開。此時(shí) AC 電流流經(jīng) 20V 的 LED 串，同時(shí)為其儲(chǔ)能電容器充電。當(dāng) AC 線路電壓上升到 40V 加上線路余量時(shí)，LED 第一段上的開關(guān)重新關(guān)閉，LED 第二段上的開關(guān)打開。像以前一樣，40V 的 LED 堆棧使 AC 電流得到應(yīng)用，其存儲(chǔ)電容器進(jìn)行充電。

不過，當(dāng)?shù)谝欢紊系拈_關(guān)關(guān)閉后，LED 的電流仍會(huì)繼續(xù)從與其相關(guān)的存儲(chǔ)電容器流出。計(jì)數(shù)序列繼續(xù)，當(dāng) AC 線路達(dá)到峰值時(shí)，得出的二進(jìn)制最終結(jié)果是七 (111);隨后，計(jì)數(shù)結(jié)果在下個(gè)零交點(diǎn)處回落到零。壓擺率控制可保證每個(gè)開關(guān)的關(guān)閉速度是其打開速度的兩倍，以確保能與 TRIAC調(diào)光器一起正常工作。TPS92411 元件在低頻 (《1kHz) 時(shí)開關(guān)，整個(gè)解決方案采用無磁性元件。EMI 濾波僅僅需要一個(gè)單一的電容器。系統(tǒng)效率取決于 LED 的累計(jì)值、所用 TPS92411 開關(guān)的數(shù)量以及在最小和最大線路電壓時(shí)線性穩(wěn)壓器的余量。

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