一種節能照明系統設計

美國新的聯(lián)邦能源法要求在2012年之前逐步淘汰現在常見(jiàn)的 60W~100W 白熾燈等低能效照明燈泡。家用照明系統將全面轉向熒光燈、LED等其他節能光源。在目前這段照明系統切換的過(guò)渡期，比較明智的辦法是令高效照明技術(shù)與現有的家用調光系統相兼容。本文重點(diǎn)介紹了目前LED 調光解決方案面臨的挑戰，并指導設計人員利用現有的三端雙向可控硅壁裝式調光器來(lái)對節能的離線(xiàn) LED 電源進(jìn)行調光。

在美國聯(lián)邦節能法的推動(dòng)下，LED 技術(shù)將給商業(yè)和家用照明領(lǐng)域帶來(lái)全新的變革。LED 的功率僅為燈泡的幾分之一，比熒光燈的效率(流明/瓦)更高，使用壽命長(cháng)，而且沒(méi)有汞排放等帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

如果要將低效的愛(ài)迪生白熾燈泡轉換為 LED照明系統，改裝方案必須能夠適應現在的建筑條件要求。

替換MR16 12V鹵素燈

常見(jiàn)的MR16 20W-35 W的鹵素燈很容易被同等外形尺寸的 LED 燈所替換。在圖 1 的設計示例中，驅動(dòng)高亮度LED的600mA恒流來(lái)自常規電子變壓器的 12V 交流電源。由于 LM3405A 驅動(dòng)器的工作電壓范圍較寬，一個(gè)非常小的輸入電容器即可維持連續運行。高開(kāi)關(guān)頻率內部設置為 1.6MHz，允許使用極小的表面貼裝電感器和貼片電容器。所有這些因素都有助于壓縮 PCB 的整體尺寸，以滿(mǎn)足MR16外形規格對空間的嚴格限制。


圖1 使用LM3405控制器的MR16 LED燈設計

使用電子變壓器分出 12V 交流電壓是MR16 鹵素燈的常見(jiàn)做法，該電壓整流為直流電壓后最多可以為三個(gè)串聯(lián)的LED提供電源，通過(guò)線(xiàn)性穩壓器或更高效的開(kāi)關(guān)解決方案控制電流。

不幸的是，一些低成本的電子變壓器只在使用純電阻負載（如鹵素燈）時(shí)才能正常工作，使用較低的LED 負載時(shí)可能出現不兼容，而且不能進(jìn)行調光。

220V 交流電燈泡的替換工作更為復雜。因為其輸入電壓很高，還需要遵守危險物品安全條例。

替換220V交流三端雙向可控硅燈

采用LED 燈需要解決的一個(gè)難題：所需的恒流電源能夠兼容交流調光器的調光控制電路。

調光器是一個(gè)能夠控制負載交流電壓的電子設備。壁裝式調光器通常用于室內照明。與“開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)相比，壁裝式調光器可以提供更柔和的光線(xiàn)和更可控的照明。據家居控制聯(lián)盟 (HCA) 統計，在家用照明領(lǐng)域調光技術(shù)能夠平均節省 10% 的能耗。

對燈進(jìn)行調光是通過(guò)降低燈的功率實(shí)現的。早期的調光器使用串聯(lián)電阻，但這會(huì )產(chǎn)生大量的熱，并導致能源浪費?，F在的電子調光器使用相位調制控制方案，使用半導體三端雙向可控硅來(lái)切割電源，以便只將交流電源每個(gè)半周期的一部分應用到負載上。對于其余部分，開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的。給負載提供的功率數額因此與交流電源的相位角成正比。這個(gè)簡(jiǎn)單的低成本技術(shù)可以為各類(lèi)白熾燈進(jìn)行調光。

LED 燈的調光方式則有所不同，通常有如下兩種方式：通過(guò)直接改變 LED 電流（模擬亮度控制），或通過(guò)以人眼無(wú)法察覺(jué)的更快速度開(kāi)啟和關(guān)閉 LED 來(lái)間接控制（PWM調光）。PWM 調光的優(yōu)點(diǎn)主要在于可以在較寬范圍內調節 LED 亮度，而不影響光線(xiàn)的主波長(cháng)，因此可以很好地控制顏色和亮度。通過(guò)給恒流 LED 電源的專(zhuān)用引腳施加方波信號，可以實(shí)現 PWM 調光。

不過(guò)，壁裝式交流調光器上使用的相位調制控制方案與大多數 LED 燈的調光方法不兼容。典型的 LED 燈通過(guò)三端雙向可控硅供電，會(huì )發(fā)出可以聽(tīng)見(jiàn)的噪音，產(chǎn)生低頻閃爍光線(xiàn)，而且調光能力有限。

傳統的三端雙向可控硅調光器通常被設計成連接電阻負載（鹵素燈或白熾燈泡）的接口。而現在的 LED 驅動(dòng)器解決方案與標準的壁裝式調光器相連，要么產(chǎn)生 120 Hz 的 LED 閃爍信號，要么無(wú)法實(shí)現100:1 的調光。圖 2 顯示了使用美國國家半導體 LM3445 LED 驅動(dòng)器的 220V 交流設計電路。



圖2 使用LM3445的離線(xiàn)LED驅動(dòng)器

LM3445 LED 驅動(dòng)器可直接替換目前連接到三端雙向可控硅調光器的白熾燈或鹵素燈系統，無(wú)需再對其它設備做任何改變或者犧牲性能。該驅動(dòng)器能夠解碼三端雙向可控硅切割的波形，然后將其轉換為可以對 LED 調光的信號，從而可以實(shí)現較寬的全范圍調光，而且不會(huì )出現閃爍。

此外，使用這款新型三端雙向可控硅可調光 LED 驅動(dòng)器時(shí)，工程師可以借助WEBENCH LED 設計工具輕松快速地完成設計。

WEBENCH LED 設計工具

作為Simple Switcher穩壓器的電源設計工具，WEBENCH在線(xiàn)模擬工具于 2001 年問(wèn)世。近期 WEBENCH具增強了交流離線(xiàn) LED 設計功能，可以支持相關(guān)的白熾燈替換設計。

WEBENCH LED在線(xiàn)設計遵循的流程與其它WEBENCH設計流程相同，只需簡(jiǎn)單的四個(gè)主要步驟即可獲得精心優(yōu)化的設計：

- 選擇合適的 LED 以及達到理想光照條件所需的 LED 數量

目前市場(chǎng)上有來(lái)自多家廠(chǎng)商的各式 LED。LED 的選擇標準包括顏色、LED電流、光通量、角度和封裝。

圖3 虛擬旋鈕可以滿(mǎn)足設計取舍

- 選擇系統要求：輸入電壓、LED 數量、最大輸出電流、并聯(lián)和串聯(lián)

交流電源輸入電壓110V~220Vrms，交流電源頻率 50Hz ~60Hz，環(huán)境溫度。

- 綜合平衡各項要求，優(yōu)化物料清單

虛擬旋鈕可以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)頻率，從而為更高效的設計與 PCB 封裝選擇物料清單。

- 工作值、系統性能和電路原理圖

該軟件會(huì )生成完整的設計報告，具有詳細的性能分析、每個(gè)外部元件的功耗、輸入電流和系統效率。

最后，離線(xiàn)設計的完整電路原理圖可以被呈現、修改并與其他設計人員共享。


圖4 最終設計的工作值報告，具有詳細的功耗分析

結論

LED高效照明系統的改裝解決方案必須滿(mǎn)足現有的建筑條件要求。用LED直接替換白熾燈或鹵素燈系統時(shí)，需要將其連接到三端雙向可控硅調光器。改裝方案必須簡(jiǎn)單可行，不能犧牲性能。

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