高效率的LED照明電源設計

led最初的商業(yè)應用出現(xiàn)在上世紀七十年代，但因其光輸出極低，應用范圍也僅限于指示燈和計算器顯示屏等領域。如今，能夠產(chǎn)生白光的高功率LED在效率方面不斷得以提升，價格也在逐年下降，因此它已成為主流照明應用值得考慮的選擇之一。預計隨著LED技術的發(fā)展，到2012年其發(fā)光效率將達到150流明/瓦，1000流明的成本將不足5美元(資料來源：OIDA)，屆時LED有望成為室內(nèi)照明的主要來源。

正是由于認識到使用LED來實現(xiàn)標準燈泡替換的目標是完全可行的，也為了往減少住宅、辦公場所、工廠和市政建筑中照明能源消耗的道路上邁出非常重要的一步，美國國會專門設立了一項1,000萬美元的巨額大獎，用來獎勵第一家開發(fā)出60瓦白熾燈替換燈具(在標準 A19燈泡中使用LED)的公司或者個人。該獎項是“點亮明天照明獎”(Bright Tomorrow Lighting Prizes)的分項獎，而“點亮明天照明獎”正是最近剛成為美國正式法律的《能源獨立和安全法案》的組成部分。該獎項一旦落定，美國政府采購辦公室就必須采購此類LED燈泡并在所有政府辦公場所中使用。

不過，要想摘取該獎項，設計必須達到以下條件：燈泡必須能夠產(chǎn)生900流明的光；功耗低于10瓦(發(fā)光效率大于90流明/瓦)；相對色溫(CCT)必須介于2750K至3000K之間；預期工作壽命要達到25,000小時以上，且流明維持率為70%；燈泡必須能批量生產(chǎn)和大量銷售。

因此，有意角逐此獎項的設計工程師所面臨的主要問題是，設計出的電源必須能高效率地驅(qū)動LED，使之達到所需的亮度，而且在滿足EMC法規(guī)要求的同事，電路板的體積要足夠小，以便裝入普通燈具。由于必須在LED技術、設計和實現(xiàn)方面取得重大突破，所以無論誰成為1000萬大獎的最終得主，都將當之無愧。LED目前所達到的最高發(fā)光效率大約為75流明/瓦，但LED制造商正在取得很大進展，一旦LED的發(fā)光效率達到100流明/瓦的水平，LED燈將能實現(xiàn)90流明/瓦的目標。然而，這仍要使用能效為90%、非常緊湊的電源。

Power Integrations公司現(xiàn)在可以設計出能夠裝入燈泡外殼的電源方案，其能效超過90%，成本低且適合大量生產(chǎn)。本文討論的一款基于Power Integrations公司的LNK306PN的10W電源設計簡單、成本低，不僅其工作效率高達91%以上，能提供恒定的LED電流，而且能滿足EMI要求。

高效電源是成功開發(fā)白熾燈替換方案的必要因素，但首先會面臨散熱問題。例如，效率為70%的電源會將30%的電能轉換為熱能，除非將熱量散發(fā)出去，否則燈泡溫度的陸續(xù)上升將會大幅降低LED和電源的使用壽命。更重要的是，使用高效電源是盡量減少所謂的“照明總成本”的一個基本要求。照明總成本包括燈泡(以及更換燈泡)的初始成本和消耗電能的成本構成。如果LED燈制造商希望在LED燈市場上占取一定份額，他們就必須證明其LED燈與同類產(chǎn)品相比具有較低的總體成本。如圖1所示，即使LED的電源效率提高1%，節(jié)能效果也非常明顯。

圖1：LED的電源效率即使提高1%，也會帶來非常明顯的節(jié)能效果。

如果電源效率提高1%，10W LED燈(相當于60W白熾燈)將節(jié)省0.42美元的電費。因此，如果電源效率提高10%，則一個1,000流明LED燈在其工作壽命期間所節(jié)省的總成本將抵消其初始成本，這樣LED燈的“照明總成本”就會低于白熾燈的“照明總成本”。

下文描述的電源設計采用了最少的元件數(shù)量，但在所有工作條件下的效率均超過90%。優(yōu)化電效率的簡單方法是盡量提高電壓和降低電流。為實現(xiàn)這個目標，需要串聯(lián)連接LED，并使用70V/135mA的降壓式電源(圖2)。此設計大約需要20個LED。不過，如果使用大量的低電流LED而不是少量的高電流器件，將改善光在所有方向上的傳播效果，并使任何一個LED的功率消耗保持在較低的可控水平，從而降低燈的溫升，以延長燈的使用壽命并提高發(fā)光效率。

圖2：驅(qū)動LED陣列的70V、9W恒流降壓式轉換器電路圖。

該電源設計在低壓側降壓式配置中采用了一個LinkSwitch-TN器件，可以在90~132V的AC輸入電壓下提供130mA恒定電流和70V直流輸出電壓。(這個電源非常適合驅(qū)動必須采用恒流而不是恒壓驅(qū)動的LED。)

在這個電源設計中，在輸入端進行濾波可減少傳導EMI，全波整流器將在C2上生成直流電壓。負載J2、電感L2和開關控制器U1串聯(lián)連接在一起。LinkSwitch-TN器件(U1)在單片IC上集成了一個700V的功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制電路、高壓開關電流源、頻率抖動電路、逐周期限流器以及熱關斷電路。

通過LinkSwitch-TN的開關控制電路可以保持輸出穩(wěn)壓，從而可以根據(jù)電壓變化和負載狀況對開關周期進行使能和禁止(跳過)。在正常工作期間，如果從光耦合器U2的晶體管饋入反饋(FB)引腳的電流超過49μA，則將跳過整個開關周期。每個導通周期開始時FB引腳進行采樣，以確定是否要跳過該周期。

在U1導通期間，電流流經(jīng)電容C4、負載(70V LED串)以及電感L2。除了向負載提供一部分能量外，該電流還使L2儲存一定能量。在U1關斷期間，L2的極性反向，以試圖維持電流。反向極性為續(xù)流二極管D5提供前向偏置，以保持電流流動并持續(xù)為C4和負載提供能量。電阻R4被用作電流檢測元件，R4上的電壓還會出現(xiàn)在R3和光耦二極管U2A之間，以便為U1提供電流控制反饋。

該電源不僅能滿足EN55022B對傳導EMI的限制(EMI裕量大于10dBμV)，還可以在整個工作電壓范圍內(nèi)達到90%以上的效率(圖3)。220V輸入電壓電源也具有類似性能。

圖3：效率隨輸入電壓的變化曲線。

隨著未來LED效率的提高，這個電源設計允許設計工程師實現(xiàn)用來替換白熾燈、輸入功率僅為10W而能為LED提供9W功率的LED燈具。一旦輸出效率為100流明/瓦的LED實現(xiàn)量產(chǎn)，美國國會的此項大獎垂手可得。