探索LED燈具：過去、現(xiàn)在和未來

在美國，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。鹵素燈、緊湊型熒光燈 (CFL) 和 LED 燈等技術(shù)產(chǎn)品均爭先恐后要取代白熾燈。其中，鹵素燈和 CFL 已被使用了一段時間，LED照明設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)濟性類似，它是對一種光源發(fā)光效率的計量。

顯然，CFL 與 LED 都是高效光源的上好選擇，而以現(xiàn)在的市場價格看，CFL 似乎最經(jīng)濟劃算。但是 CFL 存在一些環(huán)保問題，因為它們含有微量的汞，需要特殊的處理方法。此外，安裝標準 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，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，因為燈具制造商和電子產(chǎn)品供應商為了達到能源之星 (EnergyStar) 標準，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，成本就會迅速降低。白熾燈已經(jīng)存在了 100 多年，而照明級 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。燈絲是電阻性負載，加熱到白熾狀態(tài)即可產(chǎn)生可見光。當 P = I2R 時，增加或減少到燈絲的 RMS 電流就可以增加或減少亮度，從而形成了一個非常簡單的光源，該光源的亮度很容易通過簡單的相位切換技術(shù)(如 TRIAC 調(diào)光器采用的技術(shù))進行控制。

另一方面，LED 燈則是包含電子和機械零部件的一個復雜組合：LED、光擴散板、散熱片和一個開關模式的電源 (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)。無需多費腦筋就能想到這會比白熾燈更貴 —— 而且貴得多。

當前的挑戰(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，LED芯片的價格卻在下降。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 來實現(xiàn)。常見的拓撲結(jié)構(gòu)有反激式結(jié)構(gòu)和降壓式機構(gòu)。圖 2 展示了一個簡化的降壓 SMPS�；�本元件包括：一個整流器、能量緩沖級器件、一個電感器、一個 MOSFET 和一個由脈沖寬度調(diào)制器 (PWM) 組成的 IC。對于低功率級應用，可將 PWM 和 MOSFET 組合成一個單一的 IC 封裝，以減小體積從而節(jié)省空間。為基于 LED 的燈具設計一個合適的 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)是許多應用手冊、文章和會議論文的主題。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 串的開關控制型 AC 直接驅(qū)動器很容易實現(xiàn)這一目標，并且體現(xiàn)了一款新型高電壓開關(適用于 LED 的 AC 直接驅(qū)動器)背后的理念。德州儀器 (TI) 的 TPS92411 高壓開關為 LED 加設旁路或串聯(lián) LED，以應對整流后的 AC 在半個周期內(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)運行，以產(chǎn)生近似正弦的輸入電流波形 —— 就像一個電阻器。當AC 電流隨著線路電壓發(fā)生相位變化時，低 THD 和高 PF 都可得到確保。

在一個典型的實施方案中，開關和 LED 段以二進制方式運行，隨 AC 電壓向上或向下計數(shù)。例如，一個 120VRMS 的應用可包括 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)壓器進行管理。

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

不過，當?shù)谝欢紊系拈_關關閉后，LED 的電流仍會繼續(xù)從與其相關的存儲電容器流出。計數(shù)序列繼續(xù)，當 AC 線路達到峰值時，得出的二進制最終結(jié)果是七 (111);隨后，計數(shù)結(jié)果在下個零交點處回落到零。壓擺率控制可保證每個開關的關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) 時開關，整個解決方案采用無磁性元件。EMI 濾波僅僅需要一個單一的電容器。系統(tǒng)效率取決于 LED 的累計值、所用 TPS92411 開關的數(shù)量以及在最小和最大線路電壓時線性穩(wěn)壓器的余量。

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