優(yōu)化LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)

LED照明正在成為業(yè)界的首選技術(shù)，尤其適用于環(huán)境條件惡劣的場(chǎng)合。LED解決方案具有穩(wěn)健性，并且從不會(huì)完全失效。然而，其光強(qiáng)度確實(shí)會(huì)隨時(shí)間而減弱。在測(cè)量LED光輸出并調(diào)整電源以便在燈泡的整個(gè)壽命期間保持恒定光輸出的場(chǎng)合，采用自動(dòng)減低亮度的方法是非常有益的。這樣可以大大延長(zhǎng)燈泡的使用壽命，并在燈泡制造狀況變更下保持穩(wěn)定的亮度。本文給出了用于街道、辦公室和工廠照明，使用各種傳感器技術(shù)工作的電路示例。

系統(tǒng)級(jí)生態(tài)設(shè)計(jì)（ecodesign）的新途徑

就生態(tài)設(shè)計(jì)而言，對(duì)于給定的應(yīng)用，延長(zhǎng)使用壽命永遠(yuǎn)是人們所希望的，因?yàn)樗c生態(tài)影響（ecological）直接相關(guān)。這不像說(shuō)起來(lái)那么容易，因?yàn)閯?chuàng)新永不停止。需要考慮新的標(biāo)準(zhǔn)和新的應(yīng)用可能，并且需要實(shí)現(xiàn)新功能。重要的是不要僅僅執(zhí)行最低標(biāo)準(zhǔn)，還要構(gòu)建搶得先機(jī)具有許多新功能的“更好的”產(chǎn)品，并且獲得一定的靈活性。“火星漫游車(chē)”就是一個(gè)很好的例子，大量的技術(shù)支持幫助實(shí)施了這項(xiàng)計(jì)劃，并且發(fā)射時(shí)間較原定計(jì)劃大大提前。

重要的是不僅具備靈活性，而且LED的使用壽命也要具備維持如此長(zhǎng)時(shí)間的工作潛力。在此，需要考慮三類(lèi)影響：快速變化的影響（例如開(kāi)機(jī)電流）、緩慢變化的影響（例如參數(shù)漂移）以及外部影響。

對(duì)于所有應(yīng)用而言，開(kāi)機(jī)電流是一種重要的應(yīng)力。電源中存在著可能造成這種應(yīng)力的大總線電容。此外，上電時(shí)的不明確狀態(tài)可能給應(yīng)用帶來(lái)應(yīng)力。為了避免這些狀況，應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)階段使用失效模式與影響分析（FMEA）對(duì)電路性能進(jìn)行仔細(xì)的分析。在完成的應(yīng)用中，重要的是檢驗(yàn)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)過(guò)程中的電流和溫度。在設(shè)計(jì)階段，它們可能未被認(rèn)知，而在后期造成現(xiàn)場(chǎng)故障。

此圖顯示了由開(kāi)機(jī)電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化，這時(shí)其它元件處于比較冷狀態(tài)，整流器的溫度升高了很多，可能影響其使用壽命。

許多二、三十年前開(kāi)發(fā)的應(yīng)用擁有能避免漂移所引發(fā)故障的電路技術(shù)。由于那時(shí)使用的許多元件具有較大的公差水平和更大的漂移，所以開(kāi)發(fā)了對(duì)元件特性依賴(lài)較少的電路。為了延長(zhǎng)一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品的使用壽命，許多這類(lèi)技術(shù)不在如今的生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之列。這就增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使得元件數(shù)目增加。電子線路的生態(tài)影響通常低于工作能耗所引起的影響，所延長(zhǎng)的使用壽命可以彌補(bǔ)增加的復(fù)雜性。

功率電子是所有應(yīng)用和產(chǎn)品的一個(gè)重要部分，也更在生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之中，因?yàn)樽酉到y(tǒng)通過(guò)效率等特性影響到生態(tài)效應(yīng)。例如，較低的效率意味著一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品需要采用較大的散熱片，從而在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中消耗更多的能量，并需要使用更多的能量進(jìn)行運(yùn)輸和回收。因此，建議設(shè)計(jì)人員考慮達(dá)到最高效率和寬輸入電壓范圍，以便使用較少的元件，獲得最大的靈活性，因?yàn)檫@個(gè)部分以后不能改動(dòng)（例如：通過(guò)軟件更改）。

在照明應(yīng)用中，使用LED解決方案是大勢(shì)所趨。除了具有更高的效率之外，LED本身具有很長(zhǎng)的使用壽命，LED驅(qū)動(dòng)電子裝置在設(shè)計(jì)上應(yīng)該最大限度地利用LED的長(zhǎng)使用壽命。以下是這種照明方案的示意圖：

街燈照明是這類(lèi)照明方案的一個(gè)特殊實(shí)例，沒(méi)有其它哪種照明應(yīng)用結(jié)合了如此多的要求，這些要求并不總是趨于融合。溫度、濕度以及振動(dòng)等不斷變化的環(huán)境因素，以及高效率、高可靠性和低能耗需求，都成為照明解決方的考慮因素，同時(shí)還要考慮大批量生產(chǎn)和承受相應(yīng)的價(jià)格壓力。隨著燈對(duì)電能的消耗，溫度會(huì)從-40°C大幅上升至85°C。重要的是必須注意到，每個(gè)開(kāi)關(guān)（每日）循環(huán)會(huì)引發(fā)一次溫度循環(huán)。這意味著在系統(tǒng)層面上，五年中燈泡會(huì)有接近2000次溫度循環(huán)，這給系統(tǒng)帶來(lái)了很大的應(yīng)力。

由于街燈照明的成本是城鎮(zhèn)預(yù)算的一個(gè)重要部分，人們特別關(guān)注高效率，以期幫助降低街燈的運(yùn)作成本。目標(biāo)是使用盡可能少的電能來(lái)達(dá)到街道或人行道所需的發(fā)光度水平。這不包括維護(hù)成本，對(duì)于使用壽命較短的燈炮，其維護(hù)成本也很可觀。

粗略估算一定人口使用街燈數(shù)量的方法，是按照每六個(gè)居民一盞街燈的比例來(lái)計(jì)算。按照這一比例，德國(guó)大約有1330萬(wàn)盞街燈——節(jié)能的潛力非常巨大。因此，許多城市和社區(qū)轉(zhuǎn)而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇了，或者更換整個(gè)燈泡，或者更換燈頭。

面對(duì)所有這些要求，這種電源的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，但并不是不可能。上圖的左側(cè)是輸入濾波器和橋式整流器的示例，后面跟著一個(gè)有些與眾不同的電路，其中反激電路使用了一個(gè)BCM-PFC-控制器。通常，電源周期內(nèi)開(kāi)關(guān)頻率要發(fā)生變化，以保持輸出電壓的恒定。此處，使用振蕩器（帶Q102的電路）維持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，從而在整個(gè)電源周期內(nèi)維持一種恒定的占空比。可以改變占空比（雖然以極低的速度），以便調(diào)整輸出電流。這不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)ED不是動(dòng)態(tài)負(fù)載。借助這種改變，輸入電流將與輸入電壓對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)換器將恒定工作于DCM模式，獲得非常好的功率因數(shù)。

該圖顯示整個(gè)電源周期內(nèi)初級(jí)端（藍(lán)色）和次級(jí)端（棕色）的電流。很明顯，電流的峰值呈正弦形包絡(luò)，這使其能夠在使用小輸入電容時(shí)，仍然獲得好的功率因數(shù)和低傳導(dǎo)輻射。

該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因數(shù)。缺點(diǎn)是在雙倍電網(wǎng)頻率下，次級(jí)端的紋波電流很大，但對(duì)于LED照明而言，這不會(huì)成為缺點(diǎn)，因?yàn)槿搜蹖?duì)100Hz的閃爍是不敏感的。

在次級(jí)端，利用一個(gè)電路將輸出電流（用分流電阻測(cè)量）轉(zhuǎn)換成初級(jí)端調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，以獲得驅(qū)動(dòng)LED的電流輸出。這里，對(duì)平均輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)榉答伝芈繁仨毦徛员阍谳斎攵双@得好的功率因數(shù)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用金屬箔電容作為輸入電容，其小尺寸減小了對(duì)空間的要求，并顯著提高了壽命。

LED燈的壽命還由LED的亮度漂移決定。例如，OSRAM公司的“金龍+”LED燈的平均壽命為45000小時(shí)（焊接點(diǎn)溫度85°C，以0.7A電流連續(xù)工作）。其可分成四個(gè)階段，第一個(gè)階段是能夠向上或向下的相對(duì)快速漂移的階段，接下來(lái)是反射器老化階段，然后是LED僅有微小漂移的較長(zhǎng)階段，最后是燈壽命漂移真正終止的階段，在這個(gè)階段中，亮度持續(xù)降低。

LED的失效不會(huì)是災(zāi)難性的，但是在到達(dá)額定壽命期時(shí)，其亮度下降到70%。燈將隨時(shí)間的推移持續(xù)變暗。在某些應(yīng)用中，這不是問(wèn)題，但對(duì)于其他一些有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求亮度恒定的應(yīng)用中，這種情況是不能被接受的。

與使用高壓鈉燈的普通路燈相比，LED燈更加耐用，并具有更長(zhǎng)的壽命。不過(guò)仍有進(jìn)一步提升的可能性。為了延長(zhǎng)壽命，并減小設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境的影響，可以使用亮度傳感器來(lái)調(diào)節(jié)亮度，并在壽命期內(nèi)獲得恒定的發(fā)光度。

下圖為用于大功率LED調(diào)光的次級(jí)端恒流控制電路的示例：

為了在不改變顏色的情況下改變LED的亮度，使用了脈寬調(diào)制方案。為此，在電路的輸入端施加一個(gè)方波信號(hào)。當(dāng)電壓高于1V時(shí)，調(diào)節(jié)器禁用，LED串內(nèi)沒(méi)有電流流過(guò)。電壓很低時(shí)，IC的輸入節(jié)點(diǎn)會(huì)承擔(dān)分流電阻反映出的電壓，有效地接通電流控制，并使LED串在這種恒定電流下工作。這將產(chǎn)生恒流脈沖，緊接著是暫停，即無(wú)電流流過(guò)。這樣將會(huì)在不改變顏色的情況下調(diào)節(jié)LED的亮度。結(jié)合上面的PFC反激式電路，重要的是要使用一種不會(huì)與電網(wǎng)頻率產(chǎn)生可見(jiàn)拍頻頻率的PWM調(diào)制信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)亮度傳感器的方法有很多種。例如可使用光敏晶體管或者光敏二極管，但它們需要部分模擬電路，以便使它們的信號(hào)適用于調(diào)節(jié)。還有一種許多商用亮度傳感器都在使用的標(biāo)準(zhǔn)化模擬接口，其控制電壓范圍為0至10V。在噪聲較大的環(huán)境中，信號(hào)也以用電流環(huán)路傳送，例如：以0至20mA電流工作。此外，在傳感器或者傳感器陣列與中央控制器相結(jié)合的地方可以使用數(shù)字接口來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，甚至實(shí)現(xiàn)冗余工作，比如可以對(duì)一些出現(xiàn)故障的燈進(jìn)行補(bǔ)償。這一點(diǎn)尤其有利于不便更換燈的環(huán)境，例如：在半導(dǎo)體生產(chǎn)廠內(nèi)。

利用這樣的中央控制器和燈，調(diào)節(jié)和接通操作不會(huì)對(duì)燈的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，還能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，比如根據(jù)用戶在場(chǎng)與否進(jìn)行調(diào)節(jié)、環(huán)境光調(diào)節(jié)、遙控（通過(guò)電話或短信）開(kāi)燈關(guān)燈等。

結(jié)論

在早期，LED照明解決方案的光輸出低，可靠性也較差，這些缺點(diǎn)阻礙了它的普及。但是，隨后這些問(wèn)題被克服，LED照明解決方案得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，隨著控制電路和應(yīng)用的不斷開(kāi)發(fā)，LED的長(zhǎng)壽命特性開(kāi)始大有用武之地，它的環(huán)保優(yōu)勢(shì)終于被充分顯現(xiàn)出來(lái)。