高能效的LED區(qū)域照明

全球越來越重視節(jié)省能源的高能效照明，依國(guó)際能源署(IEA)報(bào)告指出，全球電力照明約占總發(fā)電容量的19%,而最近的新聞報(bào)導(dǎo)也逐漸提醒消費(fèi)者白熾燈的低能效，加強(qiáng)大家對(duì)緊湊型節(jié)能燈的認(rèn)識(shí)。另外美國(guó)能源之星(ENERGY STAR?)也計(jì)劃為家用和商業(yè)照明制定標(biāo)準(zhǔn)。不過在這些新聞中，卻忽略了約有70%的照明能源消耗是在家庭場(chǎng)合以外，包括商店、工廠、學(xué)校、醫(yī)院和區(qū)域照明的場(chǎng)合;其中區(qū)域照明涵蓋了如街道照明、停車場(chǎng)以及公園等公共空間的應(yīng)用。

區(qū)域照明不只是提供照明功能，同時(shí)也須解決公共安全、運(yùn)行環(huán)境、外觀設(shè)計(jì)和美學(xué)、節(jié)能、系統(tǒng)可靠度和維護(hù)成本。最常見的區(qū)域照明源為高壓放電(HID)型式，如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進(jìn)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(shí)的合理壽命，以每年使用4,000小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，壽命大約在2到4年。但由于更換困難， 在維護(hù)時(shí)間或是人工成本上都相當(dāng)昂貴，在隧道或橋梁更是一大問題。另外， 大部分的HID燈都含有汞，因此必須在替換后謹(jǐn)慎處理，避免造成環(huán)保問題。

高亮度白光發(fā)光二極管(LED)的技術(shù)不斷進(jìn)步，為高能效照明應(yīng)用帶來極具潛力的解決方案。高亮度白光LED受歡迎的最重要原因是它的壽命超長(zhǎng)和發(fā)光效率，當(dāng)它的亮度維持在70%時(shí)， 壽命可達(dá)5萬個(gè)小時(shí)，戶外區(qū)域照明可以達(dá)到12年的運(yùn)行時(shí)間，大幅度地降低后續(xù)的維護(hù)和更換成本。目前已經(jīng)商業(yè)化的高功率白光LED, 每燈可達(dá)到80到120流明的光度輸出，效率大約在80 lm/W,并預(yù)估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達(dá)每燈管200流明，發(fā)光效率則可望達(dá)到160 lm/W.作為參考比較，100 W金鹵HID燈大約可以產(chǎn)生8,000流明輸出， HID燈管的光度輸出是全方向，因此在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損失， 但LED則沒有這個(gè)問題，因?yàn)樗哂兄赶蛐?，大約需要110個(gè)每封裝80 lm的LED才能夠取代100 WHID燈管的流明輸出，如果2009年的目標(biāo)達(dá)成，這個(gè)數(shù)字將可以減半。

LED照明可以由一或多個(gè)LED陣列搭配，將交流電源轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED所使用電流的控制電路組成，因此可以考慮選擇包含一串LED和驅(qū)動(dòng)電路的模塊化設(shè)計(jì)， 這個(gè)概念的優(yōu)點(diǎn)是相同的電路設(shè)計(jì)可以通過在不同照明需求下增加更多的陣列而重復(fù)利用。另外，由于在照明源中使用多個(gè)陣列，如果有單一LED出現(xiàn)問題，只有一部分的LED停止運(yùn)作，而整個(gè)照明源還是能夠提供較低亮度照明輸出。LED照明源也必須符合產(chǎn)業(yè)和國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)，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， 雖然在美國(guó)等地并不使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但電力公司也會(huì)對(duì)不計(jì)量的區(qū)域照明要求最低0.9的功率因數(shù)。

另一個(gè)考量則是隔離的安全性，對(duì)于不容易更換的區(qū)域照明源，事實(shí)上非隔離的設(shè)計(jì)相當(dāng)常見，非隔離設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是以成本較低的電感器來取代笨重的變壓器。驅(qū)動(dòng)LED的實(shí)際需求考慮也相當(dāng)重要，雖然LED需要定電流驅(qū)動(dòng)，但這個(gè)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(dòng)，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。因此，我們可以使用安森美半導(dǎo)體的NCP1216控制芯片搭配上一個(gè)高功率MOSFET、一顆電感以及少數(shù)外接無源器件，在一個(gè)單功率級(jí)電路上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)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，這不僅可以縮小電路尺寸，還能改善整體電源的可靠度，以下為相關(guān)電路的電路圖。

圖一：115 Vac, 350 mA配置的電路設(shè)計(jì)圖。

這個(gè)電路圖顯示非隔離轉(zhuǎn)換器電路的最基本實(shí)現(xiàn)方式，是一個(gè)將交流電源以D1到D4進(jìn)行整流，接著通過電感器L1、MOSFET -Q1、輸出電容C4以及控制器所組成降壓轉(zhuǎn)換電路。在這個(gè)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(jiǎn)單反饋網(wǎng)絡(luò)可以讓這個(gè)電路以定電流輸出模式運(yùn)作。通常在非隔離式設(shè)計(jì)中并不需要光電耦合器，但在這里用它來對(duì)LED串頂端的電流傳感信號(hào)進(jìn)行移位處理，這個(gè)電路的特殊實(shí)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(duì)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(huì)如電容式輸入濾波器一樣出現(xiàn)大幅劣化的情況，這個(gè)電容的典型值大約在0.1 μF到0.47 μF的范圍，主要依電路的目標(biāo)輸出功率而定。L1的電感值要夠低，以便讓降壓式轉(zhuǎn)換器可以在非連續(xù)導(dǎo)電模式下運(yùn)作，這對(duì)電路的高功率因數(shù)相當(dāng)重要。在非連續(xù)導(dǎo)電模式中，C4的值也可以相當(dāng)小，大約在1到5 μF,原因是它只需用來濾除電流波形中的高頻開關(guān)成份，應(yīng)該采用低ESR的聚丙烯薄膜電容。

圖二：輸入電壓和電流波形。

Vin = 115 Vac, Vf = 31 V, Iout = 350 nom

圖三：功率因數(shù)和電流調(diào)節(jié)相對(duì)于LED順向電壓的關(guān)系。

Vin = 115 Vac

由以上可以看出，安森美半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)出了可以用來驅(qū)動(dòng)LED陣列的優(yōu)化高功率因數(shù)單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)電路，雖然例子中的電路的工作電壓是115 Vac, 但是我們可以更改器件的數(shù)值來滿足230 Vac的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)量將可以倍增。

在區(qū)域照明應(yīng)用中使用LED陣列已經(jīng)吸引全球的目光，各地也開始進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試和小數(shù)量的導(dǎo)入計(jì)劃，許多政府組織也了解LED技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從廣泛導(dǎo)入交通號(hào)志可見一斑，他們也明白長(zhǎng)效壽命的產(chǎn)品并不需要相同的維護(hù)成本。例如美國(guó)北卡羅來納州萊禮(Raleigh)市將停車場(chǎng)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(dá)40%,同時(shí)幾乎沒有年度維護(hù)成本。未來幾年我們將可以看到LED應(yīng)用于更多的區(qū)域照明中，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(jìn)行變化的設(shè)計(jì)。對(duì)這些應(yīng)用來說，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路以符合電力和規(guī)范要求，同時(shí)也能靈活地滿足多變的LED配置，才能達(dá)致廣泛采用的經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)。