加入照明革命——新一代可调光LED灯具应用设计的关键

近年来，随着LED灯具的出现，照明领域发生了革命性的变化。在欧洲和美国的零售商店，古老的白炽灯泡已难觅踪迹，甚至禁止销售。而在替代灯具市场，低功耗的紧凑型荧光灯（CFL）现在面临着新的竞争对手。LED技术正在不断改进，LED灯具在亮度和功率方面日益强大。这些特性再加上其特有的高能效，使LED灯具成为照明的理想选择。

一般白炽灯泡每瓦能产生10流明，而LED制造商宣称LED灯具每瓦最高可达到100流明。然而，外形和最高工作温度的局限使得LED难以发挥全部潜力。目前性能最好的LED替代灯具，效率可达到每瓦50-60流明。因此，LED灯具在效率标准方面与CFL灯具已经难分伯仲（注：CFL灯的效率范围为每瓦60-70流明，且改进潜力有限）。

生态问题也日益受到公众关注。随着人们对全球变暖和气候变化等环境问题的意识不断提高，节约资源和能源的理念正成为很多市场营销策略的要点。过去10年间汽车油耗的降低和白炽灯的禁用很好地说明了这一趋势。全球多国政府已经制定白炽灯淘汰的时间表。还有一些公共政策专门为节能环保的"生态"产品提供宽松的税收支持或其他财务帮助。

LED的内在优势非常符合公众对安全、节能和环保照明解决方案的热切期盼。LED还有许多其他优点，如较高的调光能力、较长的使用寿命和较小的外形尺寸，在外形、颜色、寿命和成本方面打开了方便之门。

采用在机械、光、电和热等各方面都兼容的LED照明解决方案替代传统的照明源（荧光灯、CFL节能灯、卤素灯或其它白炽灯）是一场正在发生的工业变革。商务、办公和住宅照明市场呼唤高质量的LED改良灯具。尽管成本问题仍然是这些解决方案的主要障碍，但同时还需要注意以下技术问题：

•      与现有基础设施的电气兼容性，特别在使用标准入墙式插座调光器时。

•      外形须采用螺口型式

•      必须解决LED的散热问题

1.1     调光器的兼容性

目前，家庭、旅馆和办公场所照明灯具的控制设备都是针对白炽灯设计安装的。提供调光功能的最好方法是使用"市电切相"调光器。这种调光器原理上是为白炽灯供电而开发的。从电学方面看，白炽灯可视为一个电阻性负载。

而电子照明源（如CFL节能灯或LED灯）的电气等效负载则不再是纯阻性负载。这样在调光器工作方式上就产生了很大的不同。负载使用不当会导致系统功能失常，可能出现令人非常不舒服的闪烁、甚至损坏灯具或调光器。这样可能引起用户不满，从而推迟采用LED解决方案。目前，调光器仍然价格昂贵且难以安装。因此，推出兼容现有调光器的优质解决方案成为兑现LED照明推广承诺的必然。

切相调光器虽然类型各异，但是工作原理基本相同（即在每个周期切掉部分电源正弦波）。这可以通过开关来实现。开关接通时，电源就输送到负载（灯泡）。开关断开时，则不供电。通过调节开关导通时间，就可以调节供给负载的总能量。

调光器分为两类：前沿切相型和后沿切相型。见图 1。

•      前沿切相调光器，就是在电源半周期开始时切相。经过了与调光位置相对应的一段时间后，开关才导通为负载供电直至半周期结束。经过零点后，重复相同操作。见图 1和图 2。

•      后沿切相调光器，就是开关在半周期开始时导通，经过与调光位置相对应的一段时间后断开，并将断开状态保持至半周期结束。经过零点后，重复相同操作。见图 3和图 4。   



图1.  前沿型-调光器最大位置



图2.  前沿型-调光器最小位置  



图3.  后沿型-调光器最大位置



图4.  后沿型-调光器最小位置

要完成切相，主要使用两个技术：TRIAC（双向可控硅）开关或晶体管开关。TRIAC调光器多为前沿切相调光器。晶体管开关既可以是前沿切相调光器也可以是后沿切相调光器。TRIAC调光器的问题是它需要满足特殊的条件才能正常工作：TRIAC可以通过触发栅极来打开，一旦触发，仍需要一个最小的电流来维持其处于导通状态。这个触发电流被称为"闩锁电流"，而且为了保持TRIAC导通，电流必须加载一段时间。一旦器件被闩锁，必须有持续的电流供应。这个电流被称为"保持电流"。如果这个电流断开或减弱，TRIAC将关断。为了兼容调光器，LED灯具必须吸收调光器所需的保持电流。例如，如果一只6W的LED灯（大致相当于40W的白炽灯泡）要与一个最小负载为10W的调光器配合使用，就需要一些额外电路来提供足够的保持电流。在这种情况下，灯泡效率会降低，但与40W相比仍然是高效率。如果没有这个电路，LED灯则无法正常工作。不同调光器的保持电流有所不同。因此，额外损耗越大，与调光器的兼容性就越好。可调光应用的设计难点就在于找到灯具效率和调光器兼容性之间的最佳权衡。

恩智浦的SSL2101（及其衍生产品SSL2102）有两个由IC控制的集成泄放开关。通过外接电阻，可以设置两个不同的泄放电流。IC为电流选择提供了更大的灵活性，并优化了调光器兼容性。SSL2103（SSL2101的仅控制器集成版本）中则去掉了集成的泄放开关，但可以用低成本的外部双极型开关（仍由IC驱动）代替，可选择提供更高的泄放电流。同时，该版本还移除用于转换器操作的内置MOSFET，但可以进行外部修正，从而形成满足特定调节要求的解决方案。

1.2      选择外形尺寸与拓扑结构的关系

LED灯具本质上属于电流驱动型。它们的发光强度大致与通过电流成正比。因此，可以采用不同的拓扑结构使用市电来驱动。拓扑结构选择的关键目标之一是确定最终应用的外形尺寸。小于15W的低功率LED灯主要针对现有灯具的改良应用。这意味着灯泡的形状必须与现有传统灯具相近。目前市售产品主要采用下面三种拓扑结构：