優(yōu)化LED照明應用設計

LED照明正在成為業(yè)界的首選技術(shù)，尤其適用于環(huán)境條件惡劣的場(chǎng)合。LED解決方案具有穩健性，并且從不會(huì )完全失效。然而，其光強度確實(shí)會(huì )隨時(shí)間而減弱。在測量LED光輸出并調整電源以便在燈泡的整個(gè)壽命期間保持恒定光輸出的場(chǎng)合，采用自動(dòng)減低亮度的方法是非常有益的。這樣可以大大延長(cháng)燈泡的使用壽命，并在燈泡制造狀況變更下保持穩定的亮度。本文給出了用于街道、辦公室和工廠(chǎng)照明，使用各種傳感器技術(shù)工作的電路示例。

系統級生態(tài)設計（ecodesign）的新途徑

就生態(tài)設計而言，對于給定的應用，延長(cháng)使用壽命永遠是人們所希望的，因為它與生態(tài)影響（ecological）直接相關(guān)。這不像說(shuō)起來(lái)那么容易，因為創(chuàng )新永不停止。需要考慮新的標準和新的應用可能，并且需要實(shí)現新功能。重要的是不要僅僅執行最低標準，還要構建搶得先機具有許多新功能的“更好的”產(chǎn)品，并且獲得一定的靈活性。“火星漫游車(chē)”就是一個(gè)很好的例子，大量的技術(shù)支持幫助實(shí)施了這項計劃，并且發(fā)射時(shí)間較原定計劃大大提前。

重要的是不僅具備靈活性，而且LED的使用壽命也要具備維持如此長(cháng)時(shí)間的工作潛力。在此，需要考慮三類(lèi)影響：快速變化的影響（例如開(kāi)機電流）、緩慢變化的影響（例如參數漂移）以及外部影響。

對于所有應用而言，開(kāi)機電流是一種重要的應力。電源中存在著(zhù)可能造成這種應力的大總線(xiàn)電容。此外，上電時(shí)的不明確狀態(tài)可能給應用帶來(lái)應力。為了避免這些狀況，應該在整個(gè)設計階段使用失效模式與影響分析（FMEA）對電路性能進(jìn)行仔細的分析。在完成的應用中，重要的是檢驗開(kāi)機和關(guān)機過(guò)程中的電流和溫度。在設計階段，它們可能未被認知，而在后期造成現場(chǎng)故障。

此圖顯示了由開(kāi)機電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化，這時(shí)其它元件處于比較冷狀態(tài)，整流器的溫度升高了很多，可能影響其使用壽命。

許多二、三十年前開(kāi)發(fā)的應用擁有能避免漂移所引發(fā)故障的電路技術(shù)。由于那時(shí)使用的許多元件具有較大的公差水平和更大的漂移，所以開(kāi)發(fā)了對元件特性依賴(lài)較少的電路。為了延長(cháng)一項應用產(chǎn)品的使用壽命，許多這類(lèi)技術(shù)不在如今的生態(tài)設計的考慮之列。這就增加了電路設計的復雜性，使得元件數目增加。電子線(xiàn)路的生態(tài)影響通常低于工作能耗所引起的影響，所延長(cháng)的使用壽命可以彌補增加的復雜性。

功率電子是所有應用和產(chǎn)品的一個(gè)重要部分，也更在生態(tài)設計的考慮之中，因為子系統通過(guò)效率等特性影響到生態(tài)效應。例如，較低的效率意味著(zhù)一項應用產(chǎn)品需要采用較大的散熱片，從而在生產(chǎn)和應用過(guò)程中消耗更多的能量，并需要使用更多的能量進(jìn)行運輸和回收。因此，建議設計人員考慮達到最高效率和寬輸入電壓范圍，以便使用較少的元件，獲得最大的靈活性，因為這個(gè)部分以后不能改動(dòng)（例如：通過(guò)軟件更改）。

在照明應用中，使用LED解決方案是大勢所趨。除了具有更高的效率之外，LED本身具有很長(cháng)的使用壽命，LED驅動(dòng)電子裝置在設計上應該最大限度地利用LED的長(cháng)使用壽命。以下是這種照明方案的示意圖：

街燈照明是這類(lèi)照明方案的一個(gè)特殊實(shí)例，沒(méi)有其它哪種照明應用結合了如此多的要求，這些要求并不總是趨于融合。溫度、濕度以及振動(dòng)等不斷變化的環(huán)境因素，以及高效率、高可靠性和低能耗需求，都成為照明解決方的考慮因素，同時(shí)還要考慮大批量生產(chǎn)和承受相應的價(jià)格壓力。隨著(zhù)燈對電能的消耗，溫度會(huì )從-40°C大幅上升至85°C。重要的是必須注意到，每個(gè)開(kāi)關(guān)（每日）循環(huán)會(huì )引發(fā)一次溫度循環(huán)。這意味著(zhù)在系統層面上，五年中燈泡會(huì )有接近2000次溫度循環(huán)，這給系統帶來(lái)了很大的應力。

由于街燈照明的成本是城鎮預算的一個(gè)重要部分，人們特別關(guān)注高效率，以期幫助降低街燈的運作成本。目標是使用盡可能少的電能來(lái)達到街道或人行道所需的發(fā)光度水平。這不包括維護成本，對于使用壽命較短的燈炮，其維護成本也很可觀(guān)。

粗略估算一定人口使用街燈數量的方法，是按照每六個(gè)居民一盞街燈的比例來(lái)計算。按照這一比例，德國大約有1330萬(wàn)盞街燈——節能的潛力非常巨大。因此，許多城市和社區轉而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇了，或者更換整個(gè)燈泡，或者更換燈頭。

面對所有這些要求，這種電源的設計很復雜，但并不是不可能。上圖的左側是輸入濾波器和橋式整流器的示例，后面跟著(zhù)一個(gè)有些與眾不同的電路，其中反激電路使用了一個(gè)BCM-PFC-控制器。通常，電源周期內開(kāi)關(guān)頻率要發(fā)生變化，以保持輸出電壓的恒定。此處，使用振蕩器（帶Q102的電路）維持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，從而在整個(gè)電源周期內維持一種恒定的占空比?？梢愿淖冋伎毡龋m然以極低的速度），以便調整輸出電流。這不會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，因為L(cháng)ED不是動(dòng)態(tài)負載。借助這種改變，輸入電流將與輸入電壓對應，轉換器將恒定工作于DCM模式，獲得非常好的功率因數。

該圖顯示整個(gè)電源周期內初級端（藍色）和次級端（棕色）的電流。很明顯，電流的峰值呈正弦形包絡(luò )，這使其能夠在使用小輸入電容時(shí)，仍然獲得好的功率因數和低傳導輻射。

該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因數。缺點(diǎn)是在雙倍電網(wǎng)頻率下，次級端的紋波電流很大，但對于LED照明而言，這不會(huì )成為缺點(diǎn)，因為人眼對100Hz的閃爍是不敏感的。

在次級端，利用一個(gè)電路將輸出電流（用分流電阻測量）轉換成初級端調節器的反饋信號，以獲得驅動(dòng)LED的電流輸出。這里，對平均輸出電流進(jìn)行調節，因為反饋回路必須緩慢，以便在輸入端獲得好的功率因數。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用金屬箔電容作為輸入電容，其小尺寸減小了對空間的要求，并顯著(zhù)提高了壽命。

LED燈的壽命還由LED的亮度漂移決定。例如，OSRAM公司的“金龍+”LED燈的平均壽命為45000小時(shí)（焊接點(diǎn)溫度85°C，以0.7A電流連續工作）。其可分成四個(gè)階段，第一個(gè)階段是能夠向上或向下的相對快速漂移的階段，接下來(lái)是反射器老化階段，然后是LED僅有微小漂移的較長(cháng)階段，最后是燈壽命漂移真正終止的階段，在這個(gè)階段中，亮度持續降低。

LED的失效不會(huì )是災難性的，但是在到達額定壽命期時(shí)，其亮度下降到70%。燈將隨時(shí)間的推移持續變暗。在某些應用中，這不是問(wèn)題，但對于其他一些有標準和規范要求亮度恒定的應用中，這種情況是不能被接受的。

與使用高壓鈉燈的普通路燈相比，LED燈更加耐用，并具有更長(cháng)的壽命。不過(guò)仍有進(jìn)一步提升的可能性。為了延長(cháng)壽命，并減小設計對環(huán)境的影響，可以使用亮度傳感器來(lái)調節亮度，并在壽命期內獲得恒定的發(fā)光度。

下圖為用于大功率LED調光的次級端恒流控制電路的示例：

為了在不改變顏色的情況下改變LED的亮度，使用了脈寬調制方案。為此，在電路的輸入端施加一個(gè)方波信號。當電壓高于1V時(shí)，調節器禁用，LED串內沒(méi)有電流流過(guò)。電壓很低時(shí)，IC的輸入節點(diǎn)會(huì )承擔分流電阻反映出的電壓，有效地接通電流控制，并使LED串在這種恒定電流下工作。這將產(chǎn)生恒流脈沖，緊接著(zhù)是暫停，即無(wú)電流流過(guò)。這樣將會(huì )在不改變顏色的情況下調節LED的亮度。結合上面的PFC反激式電路，重要的是要使用一種不會(huì )與電網(wǎng)頻率產(chǎn)生可見(jiàn)拍頻頻率的PWM調制信號。

實(shí)現亮度傳感器的方法有很多種。例如可使用光敏晶體管或者光敏二極管，但它們需要部分模擬電路，以便使它們的信號適用于調節。還有一種許多商用亮度傳感器都在使用的標準化模擬接口，其控制電壓范圍為0至10V。在噪聲較大的環(huán)境中，信號也以用電流環(huán)路傳送，例如：以0至20mA電流工作。此外，在傳感器或者傳感器陣列與中央控制器相結合的地方可以使用數字接口來(lái)實(shí)現亮度調節，甚至實(shí)現冗余工作，比如可以對一些出現故障的燈進(jìn)行補償。這一點(diǎn)尤其有利于不便更換燈的環(huán)境，例如：在半導體生產(chǎn)廠(chǎng)內。

利用這樣的中央控制器和燈，調節和接通操作不會(huì )對燈的壽命產(chǎn)生負面影響，還能夠實(shí)現更多的功能，比如根據用戶(hù)在場(chǎng)與否進(jìn)行調節、環(huán)境光調節、遙控（通過(guò)電話(huà)或短信）開(kāi)燈關(guān)燈等。

結論

在早期，LED照明解決方案的光輸出低，可靠性也較差，這些缺點(diǎn)阻礙了它的普及。但是，隨后這些問(wèn)題被克服，LED照明解決方案得到了越來(lái)越廣泛的應用?，F在，隨著(zhù)控制電路和應用的不斷開(kāi)發(fā)，LED的長(cháng)壽命特性開(kāi)始大有用武之地，它的環(huán)保優(yōu)勢終于被充分顯現出來(lái)。