LED照明設計的架構選擇

LED照明應用的主要設計挑戰包括以下幾個(gè)方面：散熱、高效率、低成本、調光無(wú)閃爍、大范圍調光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰需要綜合運用適當的電源系統拓撲架構、驅動(dòng)電路拓撲結構和機械設計才能解決。

　　由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內，因此散熱是一個(gè)必須克服的大問(wèn)題。但嚴格來(lái)說(shuō)，這可以利用機械工程技術(shù)解決的問(wèn)題，LED系統生產(chǎn)商的責任是努力開(kāi)發(fā)新技術(shù)，盡量提高LED的亮度（即每單位功率產(chǎn)生的流明量）。

　　LED的相對高成本是LED照明市場(chǎng)目前仍難以大規模起飛的主要障礙。例如，英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場(chǎng)總監AlexanderSommer就說(shuō)：“大多數小于25W的典型LED照明應用是標志燈、標識燈、以及替代標準的白熾燈和鹵素燈。但與現有的熒光燈和白熾燈技術(shù)相比，LED初始成本仍然是進(jìn)入大眾市場(chǎng)的一個(gè)主要障礙?！?BR>
　　Cytech產(chǎn)品及設計部工程師徐瑞包也認同主要商業(yè)化挑戰是成本。他說(shuō)：“目前各種功率的LED照明系統在電路上都是可以實(shí)現的，技術(shù)挑戰來(lái)自于終端應用的要求，比如應用于汽車(chē)，要考慮到光學(xué)設計以及整體散熱設計等。商業(yè)化部署的挑戰則主要來(lái)自于LED成本?！?/P>

　　另一種防止LED長(cháng)時(shí)間工作過(guò)熱問(wèn)題的思路是采用調光解決方案。飛兆半導體公司高壓IC產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理SangCheolHer表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調光控制器來(lái)實(shí)現。尤其是對于小于25W的LED驅動(dòng)解決方案，由于PCB尺寸小，而封裝空間有限，散熱問(wèn)題無(wú)可避免，所以該方案更顯重要?！?BR>
　　事實(shí)上，在這個(gè)功率范圍內，LED照明燈將會(huì )取代鹵素燈和緊湊型熒光燈（CFL）。此外，先進(jìn)的技術(shù)為了擺脫散熱問(wèn)題，必須去掉對溫度變化敏感的無(wú)源組件如電解電容。然而，目前大多數LED驅動(dòng)器解決方案都源于電源拓撲并以此為基礎，故應該考慮到溫度范圍的限制，因為一般產(chǎn)品通?；谏虡I(yè)標準，但照明燈卻必須確保能夠適應嚴苛的環(huán)境如工業(yè)環(huán)境。

　　LED照明設計的架構選擇

　　LED照明系統架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來(lái)說(shuō)，小于25W的LED照明系統不要求進(jìn)行功率校正，因此可以采取簡(jiǎn)單一些的拓撲架構，如PSR或Buck拓撲。25W-100W的LED照明應用要求進(jìn)行功率校正，因此一般采用單級PFC、準諧振（QR）PWM或反激式拓撲。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和雙級PFC.

　　“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓撲，因為這一功率范圍主要針對小型設計，強調設計的簡(jiǎn)單性。中等功率解決方案（25W-100W）適合于單級PFC、準諧振（QR）PWM、反激式拓撲?！盨angCheolHer說(shuō)，“大功率解決方案（大于100W）則適合采用LLC、QRPWM、反激式拓撲設計。從效率角度來(lái)看，LLC和QR性能更好；而PSR方案無(wú)需次級反饋，設計簡(jiǎn)單，尺寸也比其它方案小?！?BR>
　　鄭宗前也表示：“小于25W的LED燈具主要應用在室內照明，它們主要采用低成本的反激拓撲結構。安森美半導體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內置高壓MOSFET和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積，提供最大25W的功率輸出（230VAC輸入）?！?BR>
　　“對于非隔離型小于25WLED照明應用，如果輸入到輸出轉換比低，那么簡(jiǎn)單的降壓轉換器可以是一個(gè)低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓撲架構中，使用像英飛凌CoolSETICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個(gè)很好的選擇?！盇lexanderSommer說(shuō)。英飛凌是第一家提供數字準諧振反激控制IC的供應商。

　　25W-100W功率范圍的典型LED照明應用是街道照明（小區道路）和像停車(chē)場(chǎng)這樣的公共場(chǎng)所。功率轉換效率、PFC功能的高性?xún)r(jià)比實(shí)現和高顏色品質(zhì)現在是最重要的三大技術(shù)挑戰。例如，在商業(yè)照明和街道照明應用中，更長(cháng)得使用壽命和由此產(chǎn)生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進(jìn)入障礙。25W到100W的LED照明應用有功率因數的要求，因此需要增加功率因數校正電路。

　　“這種電路可以采用傳統的兩段式結構，即有源非連續模式功率因數校正（PFC）電路加DC-DCPWM變換電路，如安森美的功率因數校正控制器NCP1607,NCP1607的外圍電路非常簡(jiǎn)單并可以提供很好的性能?！编嵶谇氨硎?，“對于高效率、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路，它可以同時(shí)實(shí)現功率因數和隔離的低壓直流輸出，并具有顯著(zhù)的成本優(yōu)勢，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導體的NCP1652為實(shí)現單級的PFC電路提供了最優(yōu)的控制方案?！?BR>
　　深圳世強電訊則采用SiliconLabs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實(shí)現PFC.該公司助理市場(chǎng)經(jīng)理黃孫峰說(shuō)：“我們針對家用市電（180V-260V）輸入10W-30W小功率LED照明應用開(kāi)發(fā)出的全數字化LED照明方案，可用軟件控制方式實(shí)現高達0.95的PFC值。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標的前提下，還具有更高的靈活性、適應性及可升級性?！痹摲桨覆捎玫腖ED驅動(dòng)器MIC3230的最大輸出電流為350mA,最多可驅動(dòng)12顆1W的LED,能夠很好地滿(mǎn)足室內照明的需求。

　　AlexanderSommer說(shuō)：“對于要求在一個(gè)很寬的輸入和/或負載范圍內（如調光）具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應用，建議采用帶一個(gè)獨立PFC級的準諧振反激式拓撲結構。典型地可實(shí)現高達90%的效率?！?BR>
　　100W以上應用包括主要道路和高速公路照明（這里需要高達20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入）和專(zhuān)業(yè)應用，如舞臺燈光照明和建筑泛光燈照明。在高功率應用中使用LED的一個(gè)關(guān)鍵驅動(dòng)力是可靠性和低功耗帶來(lái)的低擁有成本。例如，其系統效率可與金屬鹵化物和低壓鈉燈相比。初始成本比較可能在短期內繼續是該市場(chǎng)進(jìn)入門(mén)檻。

　　鄭宗前指出：“對于大于100W的LED應用，我們將采用傳統的有源非連續模式功率因數校正電路和半橋諧振DC-DC轉換電路。我們推出了一種新型的集成控制器，它集成了有源非連續模式功率因數控制器和具有高壓驅動(dòng)的半橋諧振控制器?！?BR>
　　該半橋諧振控制器工作在固定的開(kāi)關(guān)頻率和固定的占空比，并且該電路不需要輸出側的反饋控制回路。這使得半橋諧振DC-DC變換電路工作在效率最高的ZVS和ZCS狀態(tài)。直流輸出電壓將跟隨功率因數校正電路的輸出。

　　AlexanderSommer強調：“對于100W以上的更高功率級LED照明應用，效率變得更加重要，建議使用LLC諧振拓撲結構，它可以實(shí)現90%以上的效率。我們建議你使用英飛凌新的8引腳器件ICE1HS01.”

　　不管LED照明系統的輸出功率有多大，LED驅動(dòng)器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅動(dòng)LED所需的電流。這導致了多種不同的可行LED驅動(dòng)器拓撲結構，如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型。

凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監TonyArmstrong指出：“每種拓撲結構都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其中，標準降壓型轉換器是最簡(jiǎn)單和最容易實(shí)現的方案，升壓型和降壓-升壓型轉換器次之，而SEPIC型轉換器則最難實(shí)現，這是因為它采用了復雜的磁性設計原理，而且需要設計者擁有高超的開(kāi)關(guān)模式電源設計專(zhuān)長(cháng)?！?BR>
　　總而言之，終端產(chǎn)品的應用決定LED的拓撲結構，然后再根據LED的拓撲結構和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC、或Buck-Boost結構?！耙话銇?lái)說(shuō)，25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結構。效率的話(huà)兩者一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高達97%的效率?？紤]驅動(dòng)部分BOM成本的時(shí)候更應該考慮整體系統成本?！毙烊鸢f(shuō)，“隨著(zhù)競爭的加劇，時(shí)時(shí)會(huì )有更低BOM成本的方案，但不一定是最合適的。我們不建議按照這個(gè)標準設計產(chǎn)品。PCB面積主要受主要元件的控制，小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術(shù)集成度高的產(chǎn)品，外圍電路簡(jiǎn)單。此處討論的都是指DC-DC的解決方案?！?BR>
　　梁后權也指出：“為了達到高效率要求，應當考慮采用開(kāi)關(guān)模式LED驅動(dòng)器，大多數這類(lèi)客戶(hù)更喜歡選擇降壓LED驅動(dòng)器，因為總的效率更高一些。如果從最低BOM成本角度來(lái)考慮，開(kāi)關(guān)型LED轉換器不是最便宜的。此類(lèi)客戶(hù)可能會(huì )試圖采用線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器。這可以提供最低的BOM成本，但效率可能就不會(huì )像開(kāi)關(guān)模式LED驅動(dòng)器那樣高。如從最小PCB板面積的角度考慮，通常將選用開(kāi)關(guān)模式轉換器，因為它們產(chǎn)生更少的熱量，甚至相關(guān)的元器件體積也將會(huì )更小?！?BR>
　　模擬、PWM和TRIAC調光方案

　　LED調光