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低功率LED照明趋势
   LED照明应用将从三个基本输入功率水平划分开始:小于或等于20W功率的低功率、20W50W之间的中等功率,以及大于50W应用的大功率:参见图1。请记住,真实世界应用不会恰好符合这三种分法,但当考虑LED驱动器解决方案时,这三种功率水平是一致的。LED应用专注于高亮度LED设计。

  本文的主题为≤20W低功率应用,尤其是灯泡型照明灯的替换或改型—替代现有灯具和照明器具。这也包括新结构照明器具。

  低功率LED照明的趋势

  2010年全球高亮度LED的销售估计在8.90亿美元,预计从2010年到2015年,年均增长率(CAGR)39%,可见市场潜力很大。但对于LED驱动器,主要趋势是与驱动器相关的功效改进、成本降低和长工作寿命。功效就是流明与瓦特之比。

  “DOE SSL(美国能电子产品世界http//www.eepw.com.cn/article/133636.htm源部固态照明)计划”预计高亮度LED的潜力会超出今天和过去的传统技术;图2和图3显示了功效不断提高的趋势。在功效的定义上,输入功率位于分母,输入功率以及将能量传递给LED串的效率与LED驱动器解决方案相关。在全范围LED负载功率和负载可能性下,单一的驱动器拓扑不是最佳选择,但可以考虑最少的拓扑来满足全部的LED驱动器开发需求。

  选择最高效的半导体,可作为选择拓扑的依据,但驱动器的成本也是约束条件。DOE SSL计划估计现今的成本如图4所示;驱动器占总体制造成本的10%20%

  这是最终用户看到的总体成本目标,对于LED照明解决方案的采用,这已成为最常见的阻碍而无关性能改进。美国能源部在2011年固态照明市场介绍研讨会上提出的成本目标要求如图5所示;几乎每4年成本下降50%LED驱动器拓扑选择还可带来成本最佳的解决方案。

  工作寿命也与电源的可靠性有关。可靠性受LED驱动器的元件数目、所用元件类型、温度或功率损耗的影响。使用元件数目法可以计算LED驱动器的可靠性并根据目标确定减少元件的数目。可靠性也受工作温度影响,因而热设计也是重要的,同样重要的是减少与LED驱动器元件和拓扑控制方法相关的功率损耗。发展趋势是省去电解电容器,以及光隔离器等其它元件,并将功能集成在硅控制器件中。‖

  低功率LED驱动器设计挑战

  LED驱动器设计今天面临以下挑战;所列项目将成为设计人员必须平衡的设计限制,其次序根据各公司而不同。

  ● 缩短开发周期;

  ● 降低成本;

  ● 设计复杂性;

  ● 寻找能够满足输入和输出电压-电流参数、散热设计、安全性规则和保护需求的电源拓扑;

  ● 效率和功效;

  ● 满足全球法规要求,也即在LED驱动器中降低功率损耗、采用功率因数校正(PFC)和低THD(总谐波失真)

  ● 驱动器的可靠性和使用寿命;

  ● 恒定电流输出容差;

  ● 调光和调光范围(切相调光器要求、调光率、浪涌电流限制、阻尼电路、分压器等)

  ● 无闪烁;

  ● 有限的印制板(PCB)空间或体积(高度)限制;

 ● 保护功能—OVPOCPOTP、短路LED、开路LED

  ● 工作温度;

  ● 多个供应商使供应链复杂。

  低功率LED应用分析

  下面将回顾低功率LED照明;结构、功能、设计挑战和应用趋势。

  MR11/16 LED

  MR11/16灯是一种典型的卤素灯,其普通型的额定功率为20W35W50W

  系统结构

  现有卤素灯的典型设计如图6所示

  输入电压可以是DC 12V24V,或者直接插接到120V230V AC市电电源。12V24V电压可以来自一个简单变压器,该变压器使用主电源AC电压并输出12 V/24V AC作为灯座输入。LED替代产品需要作为一个恒流源来控制。一个4WLED MR灯相当于一个20W卤素灯。某些型号具有调光特性,发展趋势是此类产品的供应增多。

  驱动器设计挑战

  MR11/16设计的最大挑战是缺乏标准,包括灯具和灯泡外形、功率因数和总谐波失真要求(能源之星LED灯具0.9,对于》5W的一体灯,≥0.7),以及低系统功率效率。考虑到图7灯的尺寸必须包含驱动器,占位空间小的LED驱动器受到欢迎。

  有两种印刷电路板(PCB)外形尺寸,一种如图8所示,是圆形的,采用LED模块的背面。圆形直径应该小于30mm,并且较高的元件位于中心连接器5mm范围内。

  另一种PCB板的外形尺寸如图9,是立式的。它需要小于30mmx20 mm

  飞兆半导体的方案

  飞兆半导体提出一个新的LED驱动器件来解决AC-DC问题,如图10所示的FL7701。它是一个智能型非隔离PFC降压LED驱动器解决方案。直接使用AC线路输入电压,有可能实现可用于MR灯罩的小型PCB尺寸。此LED驱动器设计省去了所有的电解电容器:通常用于输入、输出和IC Vcc电压。通过仅使用少量外部元件,可以满足PFTHD要求,同时实现超过80%的高效率。相对于升压设计,降压拓扑还具有连续输出电流(减少纹波电流)的优势,因为电感与输出串联,对于LED负载,降压拓扑看起来像恒流源。升压拓扑的输出电流是不连续的,除非使用输出电容器来过滤纹波电流。

  A19E14/17E26/27灯泡

  某些灯泡类型还被简称为螺口插座(Edison socket)和蜡烛型灯。多数为白炽灯泡,采用CFLLED替代产品能够满足大多数应用要求。

  系统结构

  其输入电压直接来自AC电源,灯座类型为:E14/17(蜡烛型)A19/E26/27螺口式,额定功率:1~5W用于蜡烛型灯、4~17W用于白炽灯替换。外形尺寸如图11所示。

 
设计挑战

  对于蜡烛型灯的LED驱动器设计挑战就是小型PCB空间,其空间小于MR灯空间且工作于AC输入电压电源。采用LED驱动器设计来替换白炽灯,它的PCB空间比蜡烛型灯或MR灯大,额定功率也较大,因而LED驱动器也较大,实际结果是PCB空间仍然受限,类似于如蜡烛型灯。对于螺口灯泡设计,PFTHD几乎是强制的。还有额外的调光功能要求。

对于灯座侧呈抛物型外形的E26/27灯的PCB外形尺寸,灯座侧为20 mm,在LED模块侧为35 mm,长度为70mm,参见图12

  要求效率大于75%。对兼容调光器设计的少许简短注释包括兼容各种保持电流、在大范围的光幅度内工作呈线性,以及无闪烁。‖

  飞兆半导体解决方案

  飞兆半导体的初级调节控制器如表1所示。当工作于恒流调整模式下,使用峰值漏极电流IPEAK和电感器电流放电时间TDIS可以估计出输出电流,因为在稳态下输出电流与二极管电流平均值相同。采用飞兆半导体创新的TRUECURRENT技术,可以精确控制恒流输出。

  PAR16203038灯的系统结构

  这些灯型为AC电压输入,额定功率介于4W~20W,灯座为螺口型E26/272针型GU10,如图13所示。

  有了较大的灯尺寸,就有了相当大的空间来容纳LED驱动器解决方案,并且PF和低THD仍然是强制要求。

   设计挑战

  这些LED灯的较高瓦数会引起更高的Vdspeak(尖峰)通过MOSFET,因而需要BVDss额定值较高的MOSFET。对于高压尖峰,由于输入电流较高,BVDss额定值必须降低。图14显示了电压尖峰为汇总的Vdspeak = Vin+nVo+Vos,其中nVo是反射的输出电压,也称为Vro

  通常使用缓冲器来限制Vos峰值电压,但缓冲器会消耗能量,从而降低了LED驱动器效率:

  飞兆方案

  飞兆半导体的解决方案如表2所示,单级反激与2级方法的对比如表3所示。

 

 

 

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