新一代LED區(qū)域照明應(yīng)用的研究

　　目前全球?qū)τ诳梢怨?jié)省能源的高能效照明越來越加重視，依國際能源署(IEA, International Energy Agency)報告指出，全球電力照明大約占總發(fā)電容量的19%，最近的新聞報導和政府公告也逐漸著重于提醒廣大消費者白熾燈的低能效，并加強社會大眾對緊湊型節(jié)能燈等節(jié)能解決方案的認識。除此之外，在高亮度白光發(fā)光二極管(LED)技術(shù)持續(xù)不斷進步的情況下，也為高能效通用照明應(yīng)用帶來另一個極具潛力的技術(shù)，另外美國能源之星(ENERGY STAR)計劃也正為家用和商業(yè)照明應(yīng)用制定固態(tài)照明的標準。不過在這些新聞事件中，卻忽略了大約有70%的照明能源消耗是在家庭場合外，包括零售商店、工業(yè)生產(chǎn)以及學校、醫(yī)院和區(qū)域照明等公共空間，其中區(qū)域照明更涵蓋了如街道照明、人行通道、停車場以及公園等公共空間的多種應(yīng)用場合，除了私人領(lǐng)域外，大區(qū)域照明也應(yīng)用在工廠以及零售和商業(yè)建筑的停車空間，無庸置疑的是，在這些領(lǐng)域中蘊藏有開發(fā)更高能效照明解決方案的龐大商機。

　　大區(qū)域照明涵蓋的不只是提供照明功能而已，它同時也必須解決有關(guān)公共安全、運行環(huán)境、外觀設(shè)計和美學考量、節(jié)能、系統(tǒng)可靠度和維護成本，以及如何管理燈光投射來提供適當照明，同時避免穿透、強光以及光害污染等問題。對于街道照明，發(fā)光形式和照明需求也會因街道型態(tài)、預(yù)估交通流量和標準的要求而有所不同，因此，在區(qū)域照明上有許多不同的設(shè)計來滿足實際的考量以及能源的使用和架構(gòu)問題，例如2004年美國紐約市就贊助了一項國際城市照明設(shè)計競賽，尋求是否可以發(fā)展出新的照明想法來為這個城市帶來21世紀的創(chuàng)新街景，同時取代使用已經(jīng)超過50年以上的舊設(shè)計。

　　區(qū)域照明最常見的照明源為高壓放電(HID, High Intensity Discharge)型式，例如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進的HID燈，例如金鹵燈擁有高于80 lm/W的高能效和1萬到1萬5000小時的合理壽命，以北歐地區(qū)每年使用4,000小時的標準計算，壽命大約在2到4年，不幸的是，由于更換相當困難，因此要進行街道燈光的更換不管是在維護時間或是人工成本上都相當昂貴，在隧道或橋梁等不易更換的場合更是一大問題，如果必須封閉車道進行維修勢必造成交通阻塞。此外，燒壞的街燈也會帶來公共安全的問題，同時部份社區(qū)也會對換裝時間有嚴格的時間限制，其他有關(guān)這類型燈管的問題還包括可能需要5分鐘才能啟動，如果發(fā)生停電情況，可能還得要20分鐘過后才能夠重新動作。除了電力消耗外，由于大部分的HID燈都含有汞，因此還必須在替換后謹慎處理以避免汞進入生態(tài)系統(tǒng)而造成環(huán)保問題。雖然新一代的燈管已經(jīng)擁有還算合理的能源使用效率，但由于路燈燈桿的壽命通常超過30年，因此并非所有的區(qū)域照明都采用高能效照明技術(shù)，最近由歐盟智能能源(Intelligent Energy)計劃所進行電子化街道(E-Street)倡議所提出的報告指出，歐洲大約9千萬個公共照明中大約有三分之一采用高壓汞燈等非常沒有效率的發(fā)光技術(shù)。電子化街道倡議的目標主要是研究采用智能網(wǎng)絡(luò)控制照明系統(tǒng)來降低能源消耗，例如具備網(wǎng)絡(luò)功能的照明架構(gòu)可以通過控制在深夜交通較不繁忙時降低照明輸出來節(jié)省能源，從這里我們可以看出，為什么對新技術(shù)如何克服這些挑戰(zhàn)的了解會吸引眾多注目的多項原因。

　　事實上有幾個理由可以解釋為什么高亮度白光LED在這個領(lǐng)域會受到歡迎，首先也是最重要的是它們的超長壽命，經(jīng)過適當工程設(shè)計的LED系統(tǒng)可以維持在亮度70%以上達到超過5萬個小時的工作壽命，由于這樣長的壽命，戶外區(qū)域照明可以達到超過12年的運行時間，大幅度地降低后續(xù)的維護和更換成本。再者，LED不管是在性能或成本上都持續(xù)快速進步，目前已經(jīng)商業(yè)化的高功率白光LED可以達到每燈管70到100流明的光度輸出，效率大約在70 lm/W，光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(OIDA, Optical Industry Developers Association)最近更新了有關(guān)白光LED的發(fā)展藍圖，并預(yù)估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達每燈管200流明，發(fā)光效率則可望達到150 lm/W，做為參考比較，100 W金鹵HID燈大約可以產(chǎn)生8,000到9,000流明輸出?；旧现苯訉⑦@類燈管和LED的輸出比較并不公平，原因是燈管的光度輸出是全方向，因此在燈光投射路徑上會有大量的損失，但在LED上則沒有這些問題，原因是它們本質(zhì)上就具有指向性。不考慮流明損失效應(yīng)時，大約需要120個每封裝70lm的LED才能夠取代100 W燈管的流明輸出，如果2009年OIDA的目標達成，這個數(shù)字將可以減半。此外，白光LED能夠提供質(zhì)量更好的光度輸出，特別是和高壓鈉燈比較時，因為它們會有燈光黃化和較差的顯色指數(shù)(CRI, Color Rendering Index)等問題。LED同時也可以提供給設(shè)計工程師進行創(chuàng)新和差異化照明燈具設(shè)計的更高靈活度，此外，由于LED為低壓直流器件，因而使得建立新離網(wǎng)型照明概念，例如結(jié)合太陽能和可充電電池的LED發(fā)光站牌就變得相當容易，目前這類系統(tǒng)已經(jīng)開始在倫敦等城市導入。

　　LED陣列燈具的設(shè)計因所在位置的特殊照明需求會有大幅度變化，目標照明區(qū)域依照明高度以及和照明源間的距離而定，例如行人或腳踏車道的照明燈柱間隔相對較窄，因此需要20個LED來提供照明，而在住宅區(qū)街道則需要100個或更多的LED。另外，由于主要目的是要照亮道路而不影響街道旁的住家，因此街道照明會有相當特別的發(fā)光模式要求，同時這些特別模式也必須滿足各種不同安裝型式所要求的復雜光學工程設(shè)計。此外，在LED使用數(shù)量和驅(qū)動電流上也必須進行權(quán)衡?；旧?，采用較高電流驅(qū)動的較少數(shù)量LED看起來是個可行的選擇，但較高的電流和功耗卻會讓溫度管理復雜化，此外，LED的效率會隨著電流和接面溫度的升高而降低，當然我們也必須記住，要達到指定的LED壽命，就必須遵守接面溫度的指定規(guī)范，在采用LED照明時，溫度管理是個相當重要的因素，原因是散熱集中在LED的封裝上，因此必須要由燈具移除。

　　LED照明可以由一或多個LED陣列搭配將交流電源轉(zhuǎn)換為LED所使用電流的控制電路組成，由于區(qū)域照明需求通常需要各種不同的流明度輸出，因此可以考慮選擇包含一串LED和驅(qū)動電路的模塊化設(shè)計，并依所需的光度輸出使用多個LED燈條，這個概念的優(yōu)點是相同的電路設(shè)計可以通過在不同照明需求下增加更多的陣列而重復利用。另外，由于在照明源中使用多個陣列，因此如果有單一LED出現(xiàn)問題，那么只會有一部分的LED停止運作，而整個照明源還是能夠以較低的亮度繼續(xù)提供照明輸出，電子控制電路則必須符合產(chǎn)業(yè)和國際標準，在歐盟中，這類產(chǎn)品屬于IEC61000-3-2等有關(guān)電力線諧波失真(功率因數(shù))的規(guī)范，不過雖然在美國等地區(qū)并不使用這個標準，但電力公司通常也會對不計量的區(qū)域照明要求最低0.90的功率因數(shù)。雖然我們可以使用較笨重的主頻率(50/60 Hz)電感器和電容器來提供無源解決方式，但有源開關(guān)模式經(jīng)常被應(yīng)用到鎮(zhèn)流器中，后者通常還會在主電源轉(zhuǎn)換電路前加入升壓式功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器來提供功率因數(shù)校正。

　　另一個額外的考量則是是否需要進行電流隔離來達到安全性，對于不容易更換的區(qū)域照明源，事實上相當容易見到非隔離的設(shè)計，采用非隔離設(shè)計的主要優(yōu)點是可以以成本較低的電感器來取代笨重的變壓器。接下來驅(qū)動LED的實際需求考慮也相當重要，雖然LED需要定電流驅(qū)動，但這個電流卻不一定需要是純直流，因此也可以以脈波式直流波形來推動，只要平均和最大電流值符合LED本身所指定的電流規(guī)范即可。再者，雖然RMS電流輸出必須經(jīng)過控制，但LED對電源展現(xiàn)的是固定負載的形式，使得電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性不會成為問題，也因此，我們可以使用安森美半導體的NCP1216控制芯片搭配上一個高功率MOSFET、一顆電感以及少數(shù)外接無源器件，在一個單功率級電路上實現(xiàn)一個簡單高能效的PFC和定電流轉(zhuǎn)換器，由于輸出通常不需濾除100/120 Hz主電源的頻率成份，因此可以不需在電路中使用大型電解電容，如此不僅可以縮小電路尺寸，同時還能改善整體電源的可靠度，圖1為相關(guān)電路的電路圖。

　　圖1 115Vac, 350mA配置的電路設(shè)計圖

　　這個電路圖顯示了非隔離轉(zhuǎn)換器電路的最基本實現(xiàn)方式，對電源轉(zhuǎn)換技術(shù)有經(jīng)驗的讀者將可以看出，這是一個將交流主電源電壓以D1到D4進行整流，接著通過由電感器L1、MOSFET開關(guān)Q1、輸出電容C4以及控制器所組成降壓電路轉(zhuǎn)換到較低電壓的簡單降壓式轉(zhuǎn)換電路。在這個90到135 Vac輸入的特定電路中，由并行電流傳感電阻R4、積分電路R6和C6以及光電耦合器所組成的簡單反饋網(wǎng)絡(luò)可以讓這個電路以定電流輸出模式運作。通常在非隔離式設(shè)計中并不需要光電耦合器，但在這里用它來對LED串頂端的電流傳感信號進行移位處理，這個電路的特殊實現(xiàn)方式使得它能夠提供高功率因數(shù)和定電流輸出，降壓輸入電容C2，通常又稱為降壓電容則必須對輸入橋式整流電路上所出現(xiàn)的120 Hz全波整流波形擁有高阻抗，否則功率因數(shù)就會如電容式輸入濾波器一樣出現(xiàn)大幅劣化的情況，這個電容的典型值大約在0.1μF到0.47μF的范圍，主要依電路的目標輸出功率而定。

　　電感L1在設(shè)計上主要是電感值要夠低以便讓降壓式轉(zhuǎn)換器可以在非連續(xù)導電模式下運作，這對電路的高功率因數(shù)相當重要，這也代表了在開關(guān)斷開的時間內(nèi)，儲存于電感器中的能量會下降到0，同時流經(jīng)它的電流也會在Q1導通進行下一個開關(guān)周期前停止。通常降壓式轉(zhuǎn)換器會以連續(xù)導電模式運作，二極管D6在Q1斷開時導通，同時電感器電流永遠大于0，后者需要較高的L1電感值，不過扼流圈中的電流紋波成份可以變得相當?shù)停瑢⒂兄谕ㄟ^C4的電容性濾波輸出降到最低。在非連續(xù)導電模式中，C4的值也可以相當小，原因是它只需用來濾除電流波形中的高頻開關(guān)成份，LED負載上出現(xiàn)的輸出紋波波形為降壓轉(zhuǎn)換器輸入端120Hz脈波式直流的縮小版本，C4的典型值大約在1到5 μF，同時應(yīng)該采用低ESR的聚丙烯薄膜電容。

　　NCP1216控制器在實現(xiàn)上是以占空比或MOSFET的脈波寬度通過由光電耦合器所提供引腳2上的反饋信號控制，電阻R3將控制器設(shè)定為傳統(tǒng)的PWM模式而非電流模式，反饋信號通過由R6和C6組成的RC網(wǎng)絡(luò)積分，因此120Hz波形的平均直流值被用來做為反饋信號，這個網(wǎng)絡(luò)形成了大約在10 Hz處的低頻極點，因此光電耦合器不會對輸出紋波的120Hz波封進行反應(yīng)，所得到的結(jié)果則是MOSFET會在開關(guān)周期中維持固定的導通時間，這個低帶寬閉環(huán)路情況對高功率因數(shù)而言也是必要條件，因此由以上所描述的電流運作可以看出，降壓式轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗看起來為純電阻，也使得輸入主電流波峰會和輸入電壓波峰一樣，同時功率因數(shù)會接近一單位，而控制器也能夠維持不受主電源線路電壓或LED順向壓降影響的平均電流大小，提供給LED負載穩(wěn)定的固定平均電流輸出，電流環(huán)路的增益為光電耦合器電流轉(zhuǎn)換函數(shù)斜率的函數(shù)，能夠適用于典型的定電流運作LED負載。

　　這個電路配置事實上有一些限制，最高串行連接LED正向電壓(Vf max)為最低交流輸入電壓、輸出電容C4以及NCP1216最高占空比的函數(shù)，這個數(shù)字可以由下列的簡單相對關(guān)系取得：Vf max (dc)=0.55Vac (min)，因此對90到135Vac的輸入來說，如果固定光度輸出必須維持到壽命終了，我們可以得到Vf max=0.55×90=49.5Vdc，如果Vf比這個數(shù)字高上很多，那么輸出將會開始出現(xiàn)電流下滑。此外，如前面所討論，要達到良好的功率因數(shù)，流經(jīng)電感器的電流必須為非連續(xù)，因此帶來了最低LED數(shù)量的限制。最佳電感值將受到主電源線路電壓和LED燈串整體串行順向壓降Vf的影響，測試顯示，假設(shè)主電源線路電壓變化在標準情況，同時LED的Vf介于最高Vf到它的50%之間，以下的電感值將適用于大部分的離線式應(yīng)用，假設(shè)PWM控制器的開關(guān)頻率為100kHz，那么在90到135Vac的輸入范圍內(nèi)，平均LED電流為350mA時的電感值在220到250μH之間，對190到285Vac的輸入范圍，350mA平均LED電流的電感值則為390到470μH，圖2和圖3分別描述了正常工作條件下的功率因數(shù)和電流調(diào)整表現(xiàn)。

　　圖2 輸入電壓和電流波形Vin = 115 Vac, Vf = 31V, Iout = 350 nom

　　圖3 功率因數(shù)和電流調(diào)節(jié)相對于LED順向電壓的關(guān)系Vin = 115Vac

　　由以上可以看出，我們已經(jīng)開發(fā)出了可以用來驅(qū)動LED陣列的優(yōu)化高功率因數(shù)單級LED驅(qū)動電路，雖然例子中的電路是以115 Vac主電源電壓運作，基本上我們也可以通過更改器件的簡單動作來支持較高的工作電壓，并將電感值修改到可以確保非連續(xù)導電作行來滿足230 Vac或277 Vac的應(yīng)用，以230 Vac工作條件來說，這個電路可以驅(qū)動的LED數(shù)量將可以倍增，讓單一驅(qū)動電路可以推動更多的LED。

　　在區(qū)域照明應(yīng)用中使用LED陣列已經(jīng)開始吸引全球的目光，同時各地也開始陸續(xù)進行多項測試和小數(shù)量的導入計劃，許多政府組織已經(jīng)了解LED技術(shù)的優(yōu)點，這點可以從交通號志的廣泛導入看出。他們已經(jīng)明白，長效壽命的產(chǎn)品并不需要相同的維護成本，不過在總體擁有成本以及規(guī)范標準或統(tǒng)籌考量上還要克服一些問題，例如大部分公共區(qū)域的燈管并未經(jīng)過計量，而依管理方式的不同，地方電力單位也必須要有一套依照使用燈管數(shù)量和型式進行計費的機制，此外，維護和運營也可以委外或由城市自己管理，因此也讓經(jīng)濟效益分析以及決策過程變得相當復雜。目前采用LED做為區(qū)域照明的經(jīng)濟效益和功耗節(jié)省大大地受到所取代照明源以及使用條件影響，例如美國北卡羅來納州的萊禮市就將停車場的140根120 W高壓鈉光燈以LED照明裝置取代，降低能源消耗達40%，同時幾乎沒有年度維護成本，這在LED在有關(guān)光度輸出、發(fā)光效率和成本效益表現(xiàn)持續(xù)改善的趨勢下，將會越來越有吸引力，相當明顯地，在未來幾年我們將可以看到LED出現(xiàn)在越來越多的區(qū)域照明應(yīng)用上，特別是只需少量LED的較低功率照明應(yīng)用以及光度輸出可以依應(yīng)用特定需求進行變化的設(shè)計，對這些應(yīng)用來說，驅(qū)動電路必須進行優(yōu)化以符合電力和規(guī)范要求，同時也必須具備足夠的彈性來滿足多變的LED配置，才能達成廣泛受到采用的經(jīng)濟成本目標。