LED發(fā)光效率邁大步 固態(tài)照明應用前景光明
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隨著led發(fā)光效率的提升，固態(tài)照明發(fā)展也更趨蓬勃。為使LED固態(tài)照明更具成本效益，業(yè)者除要設法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量，并整合光、機、電、熱等各領域?qū)I(yè)知識外，亦須采用具高效率、低成本的固態(tài)照明驅(qū)動器，以打造最佳解決方案。
過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標準。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟效益，使得LED制造商會特別關注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學、LED和電子學設計專門知識，以建立最佳的解決方案。
電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對直流(AC-DC)和直流對直流(DC-DC)電壓管理的拓撲設計已有30年的經(jīng)驗。雖然固態(tài)照明光源設計和電壓管理應用不同，但技術學習和電力電子制造專家們都已準備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動器拓撲一直在改良目前電壓的調(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動器各有特別的需求，激勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對固態(tài)照明驅(qū)動器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。
固態(tài)照明主要和次要的光學系統(tǒng)，是須要進行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進。
減少LED數(shù)量以降低成本
為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。 能源之星認證影響很大
美國政府推出“能源之星”的認證標章，旨在保護消費者并確保發(fā)行到市場上照明產(chǎn)品的質(zhì)量。能源之星的基本要求就是終端產(chǎn)品須達到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設計要求流明/瓦的范圍在每瓦40～50流明之間。有能源之星認證的實驗室可透過產(chǎn)品終端應用之標準化程序指針，測試制造商提交的產(chǎn)品，實驗室會檢測流明且記錄輸入功率，可了解產(chǎn)品能否達到能源之星的要求。
為期盼固態(tài)照明能獲大眾采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的進步。其中，光學業(yè)界把流明損耗最小化，同時提高產(chǎn)品的光學功能；至于電力電子和IC制造商則一直進行LED驅(qū)動器系統(tǒng)的優(yōu)化，共同致力于固態(tài)照明發(fā)展。
照明系統(tǒng)設計面臨嚴峻挑戰(zhàn)
隨著照明制造商慢慢減少系統(tǒng)所需的LED數(shù)量，所面臨的問題也正逐漸浮現(xiàn)。雖然減少LED數(shù)量曾經(jīng)對銷售有幫助，但卻也帶給業(yè)界一個無法預見的技術挑戰(zhàn)。此問題是在A19/E27改良型燈泡上市后，才第一次被各界所注意到。
假設當系統(tǒng)里LED數(shù)量減少和LED的流明輸出增加時，LED驅(qū)動器的效率就會提高，或者至少跟過去的設計類似，然而，卻無法實現(xiàn)，到底是哪里出問題呢？以下將藉由其規(guī)格要求的趨勢演進進行說明。
電路功率損耗增加 系統(tǒng)穩(wěn)定性成隱憂
60瓦固態(tài)照明白熾燈改良型燈泡要求包括，115VAC(#177;20％)的輸入電壓、十個LED串聯(lián) (31～36伏特)的輸出電壓、800流明輸出、350毫安(mA)LED順向電流、12.6瓦最大輸出功率、 目標功率85％、美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)等級B、符合UL8750、壽命大于5萬小時和系統(tǒng)工作溫度50℃。
而現(xiàn)今的趨勢是增加LED順向電流，即更高功率，并減少系統(tǒng)內(nèi)的LED數(shù)量。期望的規(guī)格改變包括五個LED串聯(lián)(15～17伏特)輸出電壓、700毫安LED順向電流、800流明輸出、11.9瓦最大輸出功率及目標效率85％。
雖然輸出功率降低且效率參數(shù)維持在85％，但仍希望每瓦流明量能更大。而現(xiàn)實中，轉(zhuǎn)換器效率下降非常大，導致每瓦的流明減少，所以須要更為注意的是電路內(nèi)功率損耗已增加，這帶來一些設計和穩(wěn)定性方面的問題，不僅造成能否符合能源之星認證的疑慮，由于還須要附加散熱片或包裝材料，因此成本也將隨之增加。
功率損耗隨組件/系統(tǒng)規(guī)格變化
能量轉(zhuǎn)換階段內(nèi)的損耗可以包括傳導、切換與靜態(tài)損耗三類。LED驅(qū)動器內(nèi)的所有硅裝置和被動組件都有電阻，電流通過電阻傳導會產(chǎn)生IRMS2#215;R的功率損耗。選用不同質(zhì)量和類型的組件，如金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)、二極管及電磁組件，產(chǎn)生的耗損將隨系統(tǒng)規(guī)格不同而變化。
切換損耗發(fā)生在當MOSFET或二極管被開啟，其他的MOSFET或二極管卻被關閉的過渡時期。由于一個轉(zhuǎn)換器在200kHz頻率下工作比在100kHz時的切換損耗多一倍，所以須要評估對操作切換頻率間的折衷方案。在較高頻率的切換所允許的電感系數(shù)比較低，而在特定的規(guī)格下傳導損耗可能也會較低(較低的RDCR)。此外，靜態(tài)功率損耗和內(nèi)部電路的功率也有所關系。
總體來說，類似的LED驅(qū)動器設計，也許可以得到一樣的輸出功率(Pout=Iled#215;Vled-stack)，但這取決于系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓以及組件類型；系統(tǒng)的效率也會有很大的不同。
圖1為典型的脫機式(AC to Iled)改良型固態(tài)照明燈泡電路，其中，各條件的定義及驅(qū)動器功率耗損計算方式，描述如下：
D=負載-周期=
D，，，，，，，，=(1-D)
FSW=切換頻率
Q4啟動時的切換損耗→
Q4傳導損耗→
D4傳導損耗是→
L3電感器傳導損耗→
現(xiàn)在所有主要功率損耗都已計算出來，可計算出系統(tǒng)總效率。可用以下方程式表示：
看到功率損耗方程式后，可對固態(tài)照明應用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設，透過降低LED數(shù)量并增加系統(tǒng)電流，流明輸出就可符合規(guī)格要求，但效率可能會降低。因此，應該要進行詳細的分析以充分理解設計的折衷和功率損耗，但須分析幾點因素，找出系統(tǒng)效率降低的原因。首先包括電感器L3的傳導損耗會隨著LED順向電流的增加而增加；其次，如果LED順向電流增加，飛輪二極管的切換損耗也會增加；第三，相對于MOSFET開啟時，在飛輪二極管D4傳導時，其經(jīng)由減少堆棧電壓就可增加時間比例，高壓(HV)二極管比在MOSFET傳導損耗更大，因此，系統(tǒng)中的電力損耗會增加；第四，在增加LED電流的情況下，主開關MOSFET Q4上的傳導損耗會增加。
規(guī)格、成本還有功能皆是達到成功設計的關鍵，而這些都須從系統(tǒng)層級來因應。業(yè)界正研發(fā)兼具功率和成本效益的LED驅(qū)動解決方案，包括LED堆棧電壓(和輸入電壓關系極小的設計)。因此，固態(tài)照明系統(tǒng)設計發(fā)展已出現(xiàn)明確的方向。
已有業(yè)者分析過很多實驗室里不同驅(qū)動的配置后，得知較高的順向電流、較少的LED數(shù)量導致客戶在申請能源之星認證標章時，增加很多的困難。LED制造商知道只關心單顆LED效率是片面且不夠的，必須了解LED在市場上如何被使用，從而配置好LED來協(xié)助達到具體固態(tài)照明解決方案的優(yōu)化才是上策。而用在改良型A19/PAR燈泡上的LED，與應用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭，經(jīng)由和不同領域的專業(yè)設計團隊合作，LED制造商已為終端應用開發(fā)出一些特定的LED。
從系統(tǒng)層級考慮設計 LED應用效能大躍進
LED制造商已開始開發(fā)LED應用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進行重新配置，此專用LED的優(yōu)點已在改良型燈泡應用中得到認可。
原來的MX-6 LED在一個模塊里有六個平行的LED燈源，每個LED都產(chǎn)生150毫安，總電流高達1,000毫安，此LED的順向電壓為3.2～3.6伏特。
而MX-6S LED內(nèi)的兩個封裝LED是串聯(lián)在一
過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標準。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟效益，使得LED制造商會特別關注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學、LED和電子學設計專門知識，以建立最佳的解決方案。
電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對直流(AC-DC)和直流對直流(DC-DC)電壓管理的拓撲設計已有30年的經(jīng)驗。雖然固態(tài)照明光源設計和電壓管理應用不同，但技術學習和電力電子制造專家們都已準備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動器拓撲一直在改良目前電壓的調(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動器各有特別的需求，激勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對固態(tài)照明驅(qū)動器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。
固態(tài)照明主要和次要的光學系統(tǒng)，是須要進行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進。
減少LED數(shù)量以降低成本
為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。 能源之星認證影響很大
美國政府推出“能源之星”的認證標章，旨在保護消費者并確保發(fā)行到市場上照明產(chǎn)品的質(zhì)量。能源之星的基本要求就是終端產(chǎn)品須達到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設計要求流明/瓦的范圍在每瓦40～50流明之間。有能源之星認證的實驗室可透過產(chǎn)品終端應用之標準化程序指針，測試制造商提交的產(chǎn)品，實驗室會檢測流明且記錄輸入功率，可了解產(chǎn)品能否達到能源之星的要求。
為期盼固態(tài)照明能獲大眾采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的進步。其中，光學業(yè)界把流明損耗最小化，同時提高產(chǎn)品的光學功能；至于電力電子和IC制造商則一直進行LED驅(qū)動器系統(tǒng)的優(yōu)化，共同致力于固態(tài)照明發(fā)展。
照明系統(tǒng)設計面臨嚴峻挑戰(zhàn)
隨著照明制造商慢慢減少系統(tǒng)所需的LED數(shù)量，所面臨的問題也正逐漸浮現(xiàn)。雖然減少LED數(shù)量曾經(jīng)對銷售有幫助，但卻也帶給業(yè)界一個無法預見的技術挑戰(zhàn)。此問題是在A19/E27改良型燈泡上市后，才第一次被各界所注意到。
假設當系統(tǒng)里LED數(shù)量減少和LED的流明輸出增加時，LED驅(qū)動器的效率就會提高，或者至少跟過去的設計類似，然而，卻無法實現(xiàn)，到底是哪里出問題呢？以下將藉由其規(guī)格要求的趨勢演進進行說明。
電路功率損耗增加 系統(tǒng)穩(wěn)定性成隱憂
60瓦固態(tài)照明白熾燈改良型燈泡要求包括，115VAC(#177;20％)的輸入電壓、十個LED串聯(lián) (31～36伏特)的輸出電壓、800流明輸出、350毫安(mA)LED順向電流、12.6瓦最大輸出功率、 目標功率85％、美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)等級B、符合UL8750、壽命大于5萬小時和系統(tǒng)工作溫度50℃。
而現(xiàn)今的趨勢是增加LED順向電流，即更高功率，并減少系統(tǒng)內(nèi)的LED數(shù)量。期望的規(guī)格改變包括五個LED串聯(lián)(15～17伏特)輸出電壓、700毫安LED順向電流、800流明輸出、11.9瓦最大輸出功率及目標效率85％。
雖然輸出功率降低且效率參數(shù)維持在85％，但仍希望每瓦流明量能更大。而現(xiàn)實中，轉(zhuǎn)換器效率下降非常大，導致每瓦的流明減少，所以須要更為注意的是電路內(nèi)功率損耗已增加，這帶來一些設計和穩(wěn)定性方面的問題，不僅造成能否符合能源之星認證的疑慮，由于還須要附加散熱片或包裝材料，因此成本也將隨之增加。
功率損耗隨組件/系統(tǒng)規(guī)格變化
能量轉(zhuǎn)換階段內(nèi)的損耗可以包括傳導、切換與靜態(tài)損耗三類。LED驅(qū)動器內(nèi)的所有硅裝置和被動組件都有電阻，電流通過電阻傳導會產(chǎn)生IRMS2#215;R的功率損耗。選用不同質(zhì)量和類型的組件，如金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)、二極管及電磁組件，產(chǎn)生的耗損將隨系統(tǒng)規(guī)格不同而變化。
切換損耗發(fā)生在當MOSFET或二極管被開啟，其他的MOSFET或二極管卻被關閉的過渡時期。由于一個轉(zhuǎn)換器在200kHz頻率下工作比在100kHz時的切換損耗多一倍，所以須要評估對操作切換頻率間的折衷方案。在較高頻率的切換所允許的電感系數(shù)比較低，而在特定的規(guī)格下傳導損耗可能也會較低(較低的RDCR)。此外，靜態(tài)功率損耗和內(nèi)部電路的功率也有所關系。
總體來說，類似的LED驅(qū)動器設計，也許可以得到一樣的輸出功率(Pout=Iled#215;Vled-stack)，但這取決于系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓以及組件類型；系統(tǒng)的效率也會有很大的不同。
圖1為典型的脫機式(AC to Iled)改良型固態(tài)照明燈泡電路，其中，各條件的定義及驅(qū)動器功率耗損計算方式，描述如下：
圖1 關閉線路(AC至ILED)的改良型固態(tài)照明燈泡優(yōu)化電路圖
D=負載-周期=
D，，，，，，，，=(1-D)
FSW=切換頻率
Q4啟動時的切換損耗→
Q4傳導損耗→
D4傳導損耗是→
L3電感器傳導損耗→
現(xiàn)在所有主要功率損耗都已計算出來，可計算出系統(tǒng)總效率。可用以下方程式表示：
看到功率損耗方程式后，可對固態(tài)照明應用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設，透過降低LED數(shù)量并增加系統(tǒng)電流，流明輸出就可符合規(guī)格要求，但效率可能會降低。因此，應該要進行詳細的分析以充分理解設計的折衷和功率損耗，但須分析幾點因素，找出系統(tǒng)效率降低的原因。首先包括電感器L3的傳導損耗會隨著LED順向電流的增加而增加；其次，如果LED順向電流增加，飛輪二極管的切換損耗也會增加；第三，相對于MOSFET開啟時，在飛輪二極管D4傳導時，其經(jīng)由減少堆棧電壓就可增加時間比例，高壓(HV)二極管比在MOSFET傳導損耗更大，因此，系統(tǒng)中的電力損耗會增加；第四，在增加LED電流的情況下，主開關MOSFET Q4上的傳導損耗會增加。
規(guī)格、成本還有功能皆是達到成功設計的關鍵，而這些都須從系統(tǒng)層級來因應。業(yè)界正研發(fā)兼具功率和成本效益的LED驅(qū)動解決方案，包括LED堆棧電壓(和輸入電壓關系極小的設計)。因此，固態(tài)照明系統(tǒng)設計發(fā)展已出現(xiàn)明確的方向。
已有業(yè)者分析過很多實驗室里不同驅(qū)動的配置后，得知較高的順向電流、較少的LED數(shù)量導致客戶在申請能源之星認證標章時，增加很多的困難。LED制造商知道只關心單顆LED效率是片面且不夠的，必須了解LED在市場上如何被使用，從而配置好LED來協(xié)助達到具體固態(tài)照明解決方案的優(yōu)化才是上策。而用在改良型A19/PAR燈泡上的LED，與應用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭，經(jīng)由和不同領域的專業(yè)設計團隊合作，LED制造商已為終端應用開發(fā)出一些特定的LED。
從系統(tǒng)層級考慮設計 LED應用效能大躍進
LED制造商已開始開發(fā)LED應用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進行重新配置，此專用LED的優(yōu)點已在改良型燈泡應用中得到認可。
原來的MX-6 LED在一個模塊里有六個平行的LED燈源，每個LED都產(chǎn)生150毫安，總電流高達1,000毫安，此LED的順向電壓為3.2～3.6伏特。
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