LED燈設計及替代現有照明方案時(shí)面臨的主要挑戰

本應用筆記探討了發(fā)光二極管(LED)在通用照明應用中的發(fā)展趨勢，對比了LED與其它照明技術(shù)的性能，分析了LED燈設計以及在替代現有照明方案時(shí)主要面臨的挑戰。

LED照明的發(fā)展趨勢

發(fā)光二極管(LED)是一項快速發(fā)展技術(shù)，正在廣泛用于眾多通用照明領(lǐng)域，通常稱(chēng)作固態(tài)照明。LED照明的典型應用是：室內照明(用于商業(yè)、工業(yè)及住宅環(huán)境)、室外照明(路燈、停車(chē)場(chǎng)照明)以及建筑、裝飾照明等，最初，發(fā)光二極管由于能夠發(fā)射整個(gè)頻譜的彩色而被用于裝飾照明。

某些情況下，LED已經(jīng)成為建筑照明的有效方案。與其它照明技術(shù)相比，LED具有更優(yōu)異的性能，因而成為當前通用照明市場(chǎng)的主流方案：

1.與其它照明技術(shù)相比，LED具有更長(cháng)的使用壽命。LED的工作壽命長(cháng)達50,000個(gè)小時(shí)，而白熾燈的使用壽命只有1,000至2,000個(gè)小時(shí)，小型熒光燈(CFL)的使用壽命大約為5,000至10,000小時(shí)。使用壽命上的顯著(zhù)優(yōu)勢使得LED非常適合那些需要投入較大人力成本更換照明燈的商業(yè)和工業(yè)應用。

2.能效優(yōu)于白熾燈和鹵素燈，等同于熒光燈。另外，LED的效率也在不斷提高；白光LED (WLED)的效率在隨后3至4年內預計提高大約50%。

3.更小的外形尺寸。LED燈的外形尺寸等同于MR16和GU10，而CFL無(wú)法滿(mǎn)足這類(lèi)應用。

4.可以采用適當的驅動(dòng)器提供亮度調節。對于需要調節亮度的應用，熒光燈在技術(shù)上具有局限性。盡管傳統的LED設計也遇到了類(lèi)似問(wèn)題，但是Maxim提供的LED驅動(dòng)創(chuàng )新方案兼容于可控硅調光和后沿調光設計。

5.具有較強的發(fā)光方向性。與其它照明技術(shù)不同，LED非常適合需要定向照明的應用，例如：小角度反射燈。

6.溫度較低時(shí)具有更高效率。熒光燈的工作效率在低溫時(shí)會(huì )下降。相比之下，LED非常適合低溫工作環(huán)境，例如：冰箱燈。

7.可輕松更改發(fā)光顏色。這一優(yōu)勢使得RGB LED成為建筑和情景照明的理想選擇，能夠根據具體要求實(shí)時(shí)更改燈光顏色。

總之，LED具有白熾燈和熒光燈所不具備的眾多優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)勢，設計人員也在不斷地發(fā)掘適合LED照明的更多應用，但是，由于篇幅有限，我們不在此贅述。本文將主要討論LED照明換代產(chǎn)品，用于替代相同規格的白熾燈、鹵素燈或熒光燈。這些LED燈必須能夠安裝到現有規格尺寸內并兼容現有的基礎設施。

LED換代燈

許多人認為L(cháng)ED換代燈是當前LED照明增長(cháng)最快的市場(chǎng)?？焖僭鲩L(cháng)的原因很簡(jiǎn)單：這些照明燈不需要更新電氣基礎設施(即布線(xiàn)、變壓器、調光器和插座)，這是LED技術(shù)的顯著(zhù)優(yōu)勢。

對于設計人員，將LED燈安裝到現有的基礎架構上主要存在兩方面的挑戰：

1.外形尺寸。換代燈必須能夠安裝到前期燈源的框架內。

2.電氣兼容。換代燈必須能夠在現有的電氣架構上正常工作，不會(huì )發(fā)生燈光閃爍。

下面，我們將逐一討論每項挑戰。

安裝到現有框架

現有框架對換代燈提出了物理限制(即驅動(dòng)板必須足夠小)和熱限制要求。這些因素制約了設計人員更換照明方案的條件(例如PAR、R和A型規格)，尺寸越小的應用所面臨的困難也越大，例如MR16和GU10。

尺寸是制約換代方案的關(guān)鍵因素，而熱限制往往更加關(guān)鍵。LED只發(fā)射可見(jiàn)光，與其它技術(shù)不同，它們不產(chǎn)生紅外波輻射能量。因此，白光LED比白熾燈或鹵素燈的能效更高，絕大多數熱量通過(guò)燈內導體耗散。

散熱是制約燈管所能產(chǎn)生的光強的關(guān)鍵因素，目前在照明換代產(chǎn)品中使用的LED技術(shù)很難達到主流市場(chǎng)所能接受的亮度水平。為了突破亮度限制，需要解決散熱問(wèn)題，這也是產(chǎn)品成功地走向商業(yè)化必不可少的條件。

散熱問(wèn)題還直接影響到驅動(dòng)板的使用壽命。為了發(fā)出更高光強，照明燈必須工作在相當高的溫度下(+80°C至+100°C)。這種溫度下，驅動(dòng)板的壽命會(huì )限制整個(gè)照明燈的工作，特別是電解電容成為設計面臨的一個(gè)棘手問(wèn)題。因為電解電容在高溫下會(huì )很快干燥，在這樣的條件下，這種電容的工作壽命不會(huì )超過(guò)數千小時(shí)，這也成為制約整個(gè)照明燈使用壽命的因素。較長(cháng)的工作壽命是LED燈的一個(gè)主要賣(mài)點(diǎn)，對于設計者來(lái)說(shuō)，壽命相對較短的電解電容成為設計的主要屏障。

MAXIM針對120VAC/230VAC輸入和12VAC輸入換代燈推出了獨特的LED驅動(dòng)方案。這些LED驅動(dòng)方案可以省去電路板上的電解電容，使LED燈的壽命從通常的低于10,000小時(shí)延長(cháng)到90,000小時(shí)。由于省去了電解電容，還有助于縮小方案尺寸，使驅動(dòng)板能夠安裝到小尺寸換代燈框架內。

兼容于電氣基礎架構

LED換代燈必須在現有基礎設施下正常工作，包括切角(三端雙向可控硅和后延)調光器和電子變壓器。

接入120VAC/230VAC電源時(shí)，照明燈可以首先通過(guò)三端雙向可控硅調光器調節。三端雙向可控硅調光器的設計能夠很好地配合白熾燈和鹵素燈工作，這些燈都是純阻性負載。但是，使用LED改造燈時(shí)，LED驅動(dòng)器通常為非線(xiàn)性、非純電阻負載，輸入橋式整流器通常在交流輸入電壓處于正向和負向峰值時(shí)瞬態(tài)吸收大電流。三端雙向可控硅調光器無(wú)法保障LED的這一需求，因為它既不能提供所需的啟動(dòng)電流，也不能提供保持電流。從而使調光器不能正常啟動(dòng)或在工作時(shí)正常關(guān)閉，而且還會(huì )造成LED閃爍，這也是系統無(wú)法接受的現象。

作為換代產(chǎn)品，其電氣架構更加符合12VAC輸入照明燈的設計，因為電子變壓器和后沿調光器可以連接到照明燈的輸入。但是，12VAC輸入照明燈的驅動(dòng)器采用的是傳統的橋式整流器和DC-DC轉換器拓撲，由于變壓器和調光器的不兼容性，同樣也會(huì )產(chǎn)生閃爍。

Maxim的120VAC/230VAC和12VAC輸入照明燈的解決方案采用單級轉換。通過(guò)對輸入電流整形，可以使照明燈在調光狀態(tài)下也不會(huì )發(fā)生閃爍，這些方案兼容于雙向三端可控硅和后沿調光器及電子變壓器設計。目前，還沒(méi)有一款MR16方案具備這一特性，也很少有PAR、R和A型燈方案具備這一特性。此外，我們的解決方案還具有優(yōu)于0.9的功率因數修正，需要極少的外部元件。無(wú)需電解電容，這些電容在高溫環(huán)境下會(huì )嚴重制約驅動(dòng)電路的工作。120VAC/230VAC和12VAC解決方案均采用MAX16834 IC，可以供用戶(hù)*估并投入批量生產(chǎn)。這些都是Maxim的獨有方案，Maxim也是唯一能夠提供這種優(yōu)勢組合的供應商。