一種節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計

美國新的聯(lián)邦能源法要求在2012年之前逐步淘汰現(xiàn)在常見的 60W~100W 白熾燈等低能效照明燈泡。家用照明系統(tǒng)將全面轉(zhuǎn)向熒光燈、LED等其他節(jié)能光源。在目前這段照明系統(tǒng)切換的過渡期，比較明智的辦法是令高效照明技術(shù)與現(xiàn)有的家用調(diào)光系統(tǒng)相兼容。本文重點介紹了目前LED 調(diào)光解決方案面臨的挑戰(zhàn)，并指導設(shè)計人員利用現(xiàn)有的三端雙向可控硅壁裝式調(diào)光器來對節(jié)能的離線 LED 電源進行調(diào)光。

在美國聯(lián)邦節(jié)能法的推動下，LED 技術(shù)將給商業(yè)和家用照明領(lǐng)域帶來全新的變革。LED 的功率僅為燈泡的幾分之一，比熒光燈的效率(流明/瓦)更高，使用壽命長，而且沒有汞排放等帶來的環(huán)境污染問題。

如果要將低效的愛迪生白熾燈泡轉(zhuǎn)換為 LED照明系統(tǒng)，改裝方案必須能夠適應現(xiàn)在的建筑條件要求。

替換MR16 12V鹵素燈

常見的MR16 20W-35 W的鹵素燈很容易被同等外形尺寸的 LED 燈所替換。在圖 1 的設(shè)計示例中，驅(qū)動高亮度LED的600mA恒流來自常規(guī)電子變壓器的 12V 交流電源。由于 LM3405A 驅(qū)動器的工作電壓范圍較寬，一個非常小的輸入電容器即可維持連續(xù)運行。高開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)置為 1.6MHz，允許使用極小的表面貼裝電感器和貼片電容器。所有這些因素都有助于壓縮 PCB 的整體尺寸，以滿足MR16外形規(guī)格對空間的嚴格限制。


圖1 使用LM3405控制器的MR16 LED燈設(shè)計

使用電子變壓器分出 12V 交流電壓是MR16 鹵素燈的常見做法，該電壓整流為直流電壓后最多可以為三個串聯(lián)的LED提供電源，通過線性穩(wěn)壓器或更高效的開關(guān)解決方案控制電流。

不幸的是，一些低成本的電子變壓器只在使用純電阻負載（如鹵素燈）時才能正常工作，使用較低的LED 負載時可能出現(xiàn)不兼容，而且不能進行調(diào)光。

220V 交流電燈泡的替換工作更為復雜。因為其輸入電壓很高，還需要遵守危險物品安全條例。

替換220V交流三端雙向可控硅燈

采用LED 燈需要解決的一個難題：所需的恒流電源能夠兼容交流調(diào)光器的調(diào)光控制電路。

調(diào)光器是一個能夠控制負載交流電壓的電子設(shè)備。壁裝式調(diào)光器通常用于室內(nèi)照明。與“開/關(guān)”開關(guān)相比，壁裝式調(diào)光器可以提供更柔和的光線和更可控的照明。據(jù)家居控制聯(lián)盟 (HCA) 統(tǒng)計，在家用照明領(lǐng)域調(diào)光技術(shù)能夠平均節(jié)省 10% 的能耗。

對燈進行調(diào)光是通過降低燈的功率實現(xiàn)的。早期的調(diào)光器使用串聯(lián)電阻，但這會產(chǎn)生大量的熱，并導致能源浪費。現(xiàn)在的電子調(diào)光器使用相位調(diào)制控制方案，使用半導體三端雙向可控硅來切割電源，以便只將交流電源每個半周期的一部分應用到負載上。對于其余部分，開關(guān)是斷開的。給負載提供的功率數(shù)額因此與交流電源的相位角成正比。這個簡單的低成本技術(shù)可以為各類白熾燈進行調(diào)光。

LED 燈的調(diào)光方式則有所不同，通常有如下兩種方式：通過直接改變 LED 電流（模擬亮度控制），或通過以人眼無法察覺的更快速度開啟和關(guān)閉 LED 來間接控制（PWM調(diào)光）。PWM 調(diào)光的優(yōu)點主要在于可以在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 亮度，而不影響光線的主波長，因此可以很好地控制顏色和亮度。通過給恒流 LED 電源的專用引腳施加方波信號，可以實現(xiàn) PWM 調(diào)光。

不過，壁裝式交流調(diào)光器上使用的相位調(diào)制控制方案與大多數(shù) LED 燈的調(diào)光方法不兼容。典型的 LED 燈通過三端雙向可控硅供電，會發(fā)出可以聽見的噪音，產(chǎn)生低頻閃爍光線，而且調(diào)光能力有限。

傳統(tǒng)的三端雙向可控硅調(diào)光器通常被設(shè)計成連接電阻負載（鹵素燈或白熾燈泡）的接口。而現(xiàn)在的 LED 驅(qū)動器解決方案與標準的壁裝式調(diào)光器相連，要么產(chǎn)生 120 Hz 的 LED 閃爍信號，要么無法實現(xiàn)100:1 的調(diào)光。圖 2 顯示了使用美國國家半導體 LM3445 LED 驅(qū)動器的 220V 交流設(shè)計電路。



圖2 使用LM3445的離線LED驅(qū)動器

LM3445 LED 驅(qū)動器可直接替換目前連接到三端雙向可控硅調(diào)光器的白熾燈或鹵素燈系統(tǒng)，無需再對其它設(shè)備做任何改變或者犧牲性能。該驅(qū)動器能夠解碼三端雙向可控硅切割的波形，然后將其轉(zhuǎn)換為可以對 LED 調(diào)光的信號，從而可以實現(xiàn)較寬的全范圍調(diào)光，而且不會出現(xiàn)閃爍。

此外，使用這款新型三端雙向可控硅可調(diào)光 LED 驅(qū)動器時，工程師可以借助WEBENCH LED 設(shè)計工具輕松快速地完成設(shè)計。

WEBENCH LED 設(shè)計工具

作為Simple Switcher穩(wěn)壓器的電源設(shè)計工具，WEBENCH在線模擬工具于 2001 年問世。近期 WEBENCH具增強了交流離線 LED 設(shè)計功能，可以支持相關(guān)的白熾燈替換設(shè)計。

WEBENCH LED在線設(shè)計遵循的流程與其它WEBENCH設(shè)計流程相同，只需簡單的四個主要步驟即可獲得精心優(yōu)化的設(shè)計：

- 選擇合適的 LED 以及達到理想光照條件所需的 LED 數(shù)量

目前市場上有來自多家廠商的各式 LED。LED 的選擇標準包括顏色、LED電流、光通量、角度和封裝。

圖3 虛擬旋鈕可以滿足設(shè)計取舍

- 選擇系統(tǒng)要求：輸入電壓、LED 數(shù)量、最大輸出電流、并聯(lián)和串聯(lián)

交流電源輸入電壓110V~220Vrms，交流電源頻率 50Hz ~60Hz，環(huán)境溫度。

- 綜合平衡各項要求，優(yōu)化物料清單

虛擬旋鈕可以優(yōu)化開關(guān)頻率，從而為更高效的設(shè)計與 PCB 封裝選擇物料清單。

- 工作值、系統(tǒng)性能和電路原理圖

該軟件會生成完整的設(shè)計報告，具有詳細的性能分析、每個外部元件的功耗、輸入電流和系統(tǒng)效率。

最后，離線設(shè)計的完整電路原理圖可以被呈現(xiàn)、修改并與其他設(shè)計人員共享。


圖4 最終設(shè)計的工作值報告，具有詳細的功耗分析

結(jié)論

LED高效照明系統(tǒng)的改裝解決方案必須滿足現(xiàn)有的建筑條件要求。用LED直接替換白熾燈或鹵素燈系統(tǒng)時，需要將其連接到三端雙向可控硅調(diào)光器。改裝方案必須簡單可行，不能犧牲性能。

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