通用照明市场中的高亮度LED驱动要求与挑战

近年来，随着绿色环保团体不断扩大节能环保界线，各个规范标准组织不断发布新的能效标准，同时，终端产品不断向更高集成度和更小尺寸的方向发展，降低能源消耗、提高能源使用效率已经成为全球众多国家的政府、行业组织、半导体公司、电子产品制造商及消费者所共同关注的一项焦点。

如果我们审视各个应用领域的电能消耗，根据预计，全球大约有19%的电能是用于照明。这部分的电能消耗比例相当可观，有鉴于此，业界不断致力于寻求面向通用照明市场的更加节能高效的照明解决方案。

通用照明市场的不同光源对比

从具体应用来看，通用照明市场涵盖的领域非常广泛，包括建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。在通用照明市场，目前常用的光源包括白炽灯、紧凑型荧光灯(CFL)、线性荧光灯、高强度气体放电灯(HID)以及新兴的高亮度发光二极管(HB LED)等。

如果我们基于能效基准对不同光源进行比较，那么用于衡量照明的一个重要指标便是总输出流明与输入功率比，以每瓦流明数(lm/W)来衡量，称作能效(efficacy)。在不同的照明解决方案中，白炽灯的能效相对较低。对于标准的60 W白炽灯而言，其能效范围介于10至13 lm/W之间(总输出为600至800 lm)。相对而言，CFL的能效要高得多，典型能效达55至60 lm/W。不过，CFL属于全方向照射，安装在灯具中时，光会被直射、反向或遮蔽，从而带来光损耗，使得55 lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50 lm/W之间。其它的光源，如HID也拥有着比白炽灯更高的能效，1款100 W金属卤素HID灯大约可以产生8,000流明的输出，即能效在80 lm/W；不过，象CFL一样，HID的光输出是全方向，在灯光投射路径上会有大量的损耗。

图1：不同光源的能效发展趋势对比。

相比较而言，LED是一种新兴的光源技术。最常见的白光LED是镀磷(激发时会发黄光)的蓝色LED。LED拥有着越来越高的能效，业界近期宣称的最强的白光LED研发能力达到了132至136 lm/W，色温达(4,500-6,000K)。实际上，近年来，业界在将LED用于通用照明市场的兴趣不断增加。对于通用照明而言，LED拥有众多具有吸引力的特性。例如，它本质上是一种低压器件，它们体积小巧，产生定向光，能够产生多种色彩以及白光。它们产生红外(IR)或紫外(UV)辐射，而且由于它们是固态器件，它们在机械上很强固并且不含汞，在恰当地设计和使用时能够具有超过5万小时的工作寿命周期。与寿命为1千小时的标准白炽灯相比，LED的寿命就要长得多。对于需要长时间连续工作、可能的用量有限、拥有很多极端应用环境的照明应用而言，或者是在地理上难于接近或故障停机成本高昂的应用中，LED的这些特性就特别具有吸引力。这样一来，高亮度LED已经在多种应用中开始替代白炽灯；其中白天可见的应用包括汽车中央停车警告灯和交通信号灯。

LED通用照明要求及LED驱动挑战

对于LED在通用照明中的应用，需要从系统的角度来分析其要求。总的来看，LED固态照明系统涉及以下要求：

· LED光源：光源紧凑高效，提供宽广范围的色彩和输出功率

· 电源转换：将交流墙式插座、电池、太阳能电池的电源高效地转换至安全的低压直流电源

· 控制和驱动：采用电子电路对LED进行稳压和控制

· 热管理：为了实现更长的工作寿命，结点温度控制非常重要，需要分析散热

· 光学器件：将光聚焦至需要它的地方要求使用透镜或导光材料

在开发高能效的LED通用照明解决方案时，这几方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驱动是本文讨论的重点。对于LED驱动而言，它面临的主要挑战就在于LED的非线性。这主要体现在LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压会有差异，LED“色点”会随着电流和温度而漂移，而且LED必须在规范要求的范围内工作从而实现可靠工作。而LED驱动器的主要作用，就是在工作条件范围内限制电流，而无论输入条件和正向电压如何变化。图2显示的是LED驱动器的基本工作电路示意图。

图2：LED驱动器的基本工作电路示意

对于LED驱动电路而言，除了进行恒流稳流，还面临着其它一些关键要求。例如，如果需要LED调光，则需要提供脉宽调制(PWM)技术，而用于LED调光的典型PWM频率是1至3 kHz。此外，LED驱动电路的功率处理能力必须充足，且功能强固，可以承受多种故障条件，并且要易于实现。值得一提的是，由于LED在最适宜电流时始终处于“导通”状态，所以其色彩不会漂移。

由于系统中需要使用的LED数量常常不止一个，这就涉及到对LED进行配置的问题。一般而言，强烈建议驱动单串LED，因为这样能够提供最佳的电流匹配，而与正向电