白光LED照明是未來(lái)主流趨勢

在很多情況下，LED更高的效率可將功耗降低多達88%。它們還極大地降低了為照明而發(fā)電和傳輸電能所導致的二氧化碳排放量。根據Strategies Unlimited公司的研究，到2012年，總的高亮度白光LED照明市場(chǎng)預計將超過(guò)50億美元，對應于2009年至2012年的28%年復合增長(cháng)率(CAGR)。這僅僅是個(gè)開(kāi)始，因為在LED發(fā)光效率的提高繼續加速了商業(yè)/住宅照明市場(chǎng)從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈向高亮度白光LED轉變的同時(shí)，LED從商業(yè)化角度來(lái)看甚至會(huì )變得更具有成本效益。

根據一些計算，從傳統白熾燈和熒光燈轉向LED照明可使當前全球總能耗節省高達10%。隨著(zhù)人們加速努力降低發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳的總排放量，全球照明能源需求降低10%的潛力對這種轉變起到了極大的推動(dòng)作用。

什么因素支持如此巨大的增長(cháng)潛力？首先，目前這一代LED的發(fā)光效率比白熾燈高10倍，是熒光燈和高壓鈉燈(HPS)的兩倍多，從而極大地降低了提供所需光輸出(以流明量度)所必需的電力。隨著(zhù)LED的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，它們靠電力發(fā)光的效率會(huì )繼續提高，而且預計在未來(lái)幾年內將翻一番。

其次，在一個(gè)非常關(guān)注環(huán)保的世界上，LED照明不需要處理、接觸和清除熒光燈中常見(jiàn)的有毒水銀蒸氣。今天用于大多數住宅照明系統的冷陰極熒光燈(CCFL)含有多達5mg的水銀，而更大的燈含有的水銀會(huì )多得多！

第三，白熾燈每用1,000小時(shí)就需要更換，而熒光燈可持續使用長(cháng)達1萬(wàn)小時(shí)，相比之下，LED的壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。在大多數應用中，這允許LED永久地嵌入到最終應用之中，而無(wú)需附屬裝置。

實(shí)例包括室內和室外商業(yè)及住宅照明，如路燈、室內和室外工業(yè)照明以及諸如發(fā)電廠(chǎng)和提煉廠(chǎng)等有害環(huán)境中的照明。有些應用(如提煉廠(chǎng))24小時(shí)不間斷運行的，LED將持續使用長(cháng)達11年，這意味著(zhù)它們將從不需要更換。另外，LED比其它類(lèi)型的照明燈小和扁幾個(gè)數位級，能以非常扁平的外形尺寸制造，因此它們可以永久地置入內部和外部應用中。

LED的小尺寸還使置入LED外殼中的反射器能夠制作得更精細，從而更高效率地聚焦光。白光LED提供純的“全光譜”白色光，在色譜中沒(méi)有縫隙，從而就需要可靠視敏度的任務(wù)而言，可以非常容易地看清楚。例如，查看色標導線(xiàn)、讀取彩色標志或區分水蒸氣和火焰造成的煙霧。相反，在橙黃色的高壓鈉燈照明環(huán)境中完成同樣的任務(wù)可能很困難，因為在這種照明環(huán)境中無(wú)法準確區分顏色。

與人眼能察覺(jué)到的變化相比，LED還能以快得多的速度調光以及接通/斷開(kāi)，這極大地降低了功耗。LED照明可以調光或斷開(kāi)，直到需要時(shí)，再即時(shí)接通至最大光強，而熒光燈或高壓鈉燈需要長(cháng)達30秒或更長(cháng)的時(shí)間才能達到最大光強。

然而，照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，如何優(yōu)化最新一代LED的所有好處。因為L(cháng)ED通常需要一個(gè)準確和高效率的DC電流源和一種調光方法，所以LED驅動(dòng)器IC在多種應用中必須設計到滿(mǎn)足這些需求。電源解決方案必須是高效率、堅固、非常緊湊和具成本效益?？梢宰C明，就驅動(dòng)照明從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈照明陣列向LED轉變而言，增長(cháng)最快的應用將出現在通用內部/外部照明應用中，因為在這類(lèi)應用中，功耗節省的回報是最大的。

室內/室外LED照明

諸如尺寸小、使用壽命長(cháng)、功耗低、易于調光和快速接通時(shí)間等好處已經(jīng)加速了高亮度LED在工業(yè)和住宅照明等很多已有照明應用中被采用。LED的長(cháng)壽命和小尺寸使得在各種應用中引入新配置成為可能，這些應用包括在冰箱正面提供照明的白光LED陣列、以至照亮整個(gè)大學(xué)校園的更復雜系統等。以下圖1顯示的是美國紐約Verrazano Narrows大橋，這個(gè)大橋完全由高亮度LED照明。LED的高效率極大地降低了所需的電力，而它們的長(cháng)壽命和耐用性在相對苛刻的海洋環(huán)境中尤其重要。

圖1：LED照明的大橋

大功率工業(yè)照明

無(wú)論是在工廠(chǎng)、提煉廠(chǎng)、零售商店還是在醫院中，工業(yè)照明在顏色、接通時(shí)間、調光能力、堅固性、易于設計以及當然還有效率方面都需要一些具體的標準。不過(guò)，既然采用LED的新照明設計一般都比白熾燈設計昂貴，那么從長(cháng)遠來(lái)看，就必須靠更高效率的發(fā)光來(lái)極大地節省能源成本。如前所述，與等效白熾燈相比，LED照明提供約高10倍的效率，而與熒光燈或高壓鈉燈相比，則高2倍到3倍，因此促進(jìn)了長(cháng)期能源節省。諸如24小時(shí)不間斷運行的工廠(chǎng)等應用，一般僅在幾年內就可以收回LED的成本，而其他照明設計可能需要長(cháng)達5年的時(shí)間。

LED不用白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈首選的高壓AC電源，一般使用電壓低得多的DC電壓源，其典型范圍視應用和LED配置的不同而有所改變，從僅為8V至72V。不過(guò)，大多數新的設計都將在12V至24V的DC輸入范圍內工作，而有些改良設計會(huì )使用12VAC輸入。

為了確保最佳性能和長(cháng)工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這些驅動(dòng)電路必須能夠靠不精確穩定的電源軌工作，而且還必須具有成本效益和空間效益。為了保持長(cháng)工作壽命，首要的是不超過(guò)LED的電流和溫度限制。不管輸入電壓如何變化，LED驅動(dòng)器都能為L(cháng)ED串提供恒定電流，以保持恒定的光輸出和顏色，這也很重要。出于這個(gè)原因，通常需要恒定頻率、電流模式LED驅動(dòng)器拓撲。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并提供逐周期電流限制，從而向LED提供恒定電流。最后，LED驅動(dòng)器必須提供超過(guò)90%的效率，以最大限度地減小對外部散熱措施的需求，并保持照明系統的高效率。

圖2顯示了一個(gè)由單個(gè)LED驅動(dòng)器IC驅動(dòng)的典型50W LED串，該IC是凌力爾特公司的LT3756，工作在升壓模式。LT3756是一個(gè)100V、高壓側電流檢測DC/DC轉換器，用來(lái)驅動(dòng)大電流LED。該器件6V至100V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3756使用一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以從標稱(chēng)12V的輸入驅動(dòng)多達14個(gè)1A的白光LED，從而提供超過(guò)50W的功率。它可以用一個(gè)24V輸入為多達20個(gè)LED供電，從而提供總共75W的LED功率。

LT3756包括高壓側電流檢測，從而使該器件能夠用在升壓、降壓、降壓-升壓或SEPIC和反激式拓撲中。在這個(gè)例子中，LT3756用于升壓模式，可以提供超過(guò)94%的效率，從而無(wú)需散熱措施，并最大限度地減輕了對熱量的擔憂(yōu)。頻率調節引腳允許用戶(hù)在100kHz至1MHz范圍內對頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。結合3mm x 3mm QFN封裝，LT3756可提供一個(gè)非常緊湊的50W至75W LED驅動(dòng)器解決方案。

此外，LT3756采用真彩色PWM(True Color PWM)調光，這種調光方法以寬達3,000:1的調光范圍提供恒定LED顏色。就不那么苛刻的調光需求而言，CTRL引腳可用來(lái)提供10:1的模擬調光范圍。該器件的固定頻率、電流模式架構在寬電源電壓和輸出電壓范圍內提供穩定工作。一個(gè)以地為基準電壓的FB引腳用作幾種LED保護功能的輸入，從而使該轉換器可以作為恒定電壓源工作。

圖2的設計可以在多種不同的配置中使用。LED可以在50W聚光燈配置中以單陣列排列，以取代125W的熒光燈或高壓鈉燈，這幾種燈的光輸出都相當于500W鹵素燈，而產(chǎn)生的熱量與鹵素燈相比卻非常少。除了節省能源，由LT3756驅動(dòng)的LED還提供即時(shí)接通功能、純凈得多的光顏色并能夠快速和準確地對LED調光?；蛘?，還可以將多達14個(gè)4W的LED配置為活動(dòng)式投射燈，每個(gè)燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當于一個(gè)40W鹵素燈的光輸出，同時(shí)降低了非常熱的鹵素燈固有的火災風(fēng)險。類(lèi)似地，LED還可以取代幾個(gè)熒光燈。

圖2：LT3756 50W LED升壓電路

圖3：LT3756 50W LED升壓電路的效率和VIN

一個(gè)工業(yè)照明的案例分析

為了突出LED工業(yè)照明的好處(與歷史上效率最高的高壓鈉燈照明相比)，我們可以考慮一個(gè)提煉廠(chǎng)的例子，如圖4所示。在這個(gè)例子中，超過(guò)1,000個(gè)250W的高壓鈉燈照明系統被同樣數量的100W白光高亮度LED照明系統取代，這些LED都是由LT3756驅動(dòng)的。因為