离线式LED 应用未必对LED 驱动器构成挑战

背景

高亮度 LED 能降低功耗、具有很长的寿命以及更多益处，不断促进多种照明应用的发展，因此 LED市场持续加速增长就毫不意外了。根据 Strategies Unlimited 公司的研究，到 2010 年末，高亮度 LED 的市场规模达到了 82 亿美元，到 2015 年将增长到 202 亿美元，年复合增长率为 30.6%。在过去几年中，用来给显示器提供背光照明的 LED 一直是驱动 LED 市场增长的主要因素。不过，通用照明 LED 应用在商用和住宅市场吸引力越来越大，这也进一步加速了 LED 市场的增长。全球市场情报供应商 LEDinside 在研究报告中写道："2010 年，商用高流明 LED 照明系统出现了巨大增长。这是因为，就大多数消费者而言，家用 LED 照明仍然太过昂贵。LED 照明能带来长期益处，具有节能和环保属性，加上相关的减税政策，因此在停车场、办公室、工厂、仓库等商用领域，LED 照明的使用量将出现巨大增长。LED 灯不仅可以取代高压钠灯、卤素灯和白炽灯，而且在某些领域还能取代 CFL 和荧光灯。"LEDinside 进一步估计道："2010 年和 2011 年，LED 商用照明将迅速增长并得到广泛采用，同时直到 2011 年或 2012 年，家用照明 LED 都不会流行，2012 年是关键的一年。预计 2010 年 LED 光源的市场渗透率能达到 3.7%，而 2009 年至 2013 年的年复合增长率估计为 32%。"

在商用建筑物中，照明一般占总能源使用量的 25% 至 40%，因此商用应用引领向 LED 的转变应该是毫不意外的结果。因为这类应用需要高强度、长时间照明，所以节省电能导致的经济回报是相对短期的。另外，LED 附属装置寿命很长，因此极大地降低了 LED 灯的更换成本。更换成本不仅包括照明灯本身的成本，还包括动手更换照明灯的劳动成本，而在某些应用中，如高顶灯照明应用，劳动成本这一项是很高的。另一方面，就大多数消费者而言，通用的家用 LED 照明目前仍然太过昂贵。不过，未来几年，随着 LED 附属装置价格下降和 LED 更加广泛地供货，照明市场在住宅领域也将出现大幅增长。大多数分析师都预计，住宅细分市场 2011 年将适度增长，而 2012 年及以后将加速增长。

正如前面提到的那样，LED 照明市场高增长率背后的主要驱动因素是，与传统照明方式相比，LED 照明能极大地降低功耗。与白炽灯照明相比，要提供同样的光输出量 (以流明为单位)，LED 需要的电功率不到白炽灯的 20%。如表 1 所示，LED 照明还有更多优势，但也有更多挑战。LED 的优势包括寿命比白炽灯高几个位量级，这极大地降低了更换成本。能利用以前安装的 TRIAC 调光器给 LED 调光也是一个主要的优势，尤其是在住宅照明市场。LED 灯即时接通，无需像 CFL 那样的预热时间，而且 LED 灯对电源周期不敏感，这一点也与 CFL 灯不同。此外，LED 照明的附属装置不含任何需要控制或处理的有毒材料，而 CFL 采用有毒水银蒸气工作。最后，LED 可实现新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技术则不可能做到。

表 1：LED、CFL 和白炽灯光源比较

 LED CFL 白炽灯
效率 (流明/W) 50 至 150，未来达到 200 40 至 70 10 至 15
寿命 (小时) 2.5 万至 5 万 3000 至 5000 1000 至 2000
驱动功率 DC 高压 AC 离线式 AC
可用 TRIAC 调光 是 否 是
即时接通 是 否 是
功率因数校正 无 PFC 时为 0.5，有 PFC 时  > 0.90 0.5 1
电源周期是否敏感 否 是 是
有毒材料 无 有 (水银) 无
60W (或等量) 灯的成本 50 美元 3 美元 1 美元

此类新型 LED 照明应用所涉及的范围非常之广，从 4W 的拧入式可替换型白炽灯泡到100W 的街灯、再到需要几百瓦功率的高棚灯等。大多数这些 LED 灯将需要依靠现有的 AC 离线式电源 (视终端应用所处地理位置的不同，通常为 90VAC 至 265VAC) 来工作。为了获得从 AC 离线式电源来高效驱动 LED 的能力，产生了一些相当独特的 LED IC 驱动器设计难题。

LED 驱动器不仅必须提供最高效率以确保节省功率，而且出于安全考虑，还必须提供电气隔离。此外，LED 驱动器必须提供功率因数校正 (PFC) 和低谐波失真性能，以适用于多种应用。不仅如此，在很多住宅应用中，LED 驱动器还必须提供用现有 TRIAC 调光器调光的能力。最后，解决方案的总体占板面积必须非常小，以使附属装置有足够的空间容纳该解决方案，解决方案还必须具成本效益，以吸引商用和住宅用户用 LED 灯更换现有照明灯。有能够满足所有这些