加入照明革命——新一代可调光LED灯具应用设计的关键

　　 1.2.1   LED与电阻串联

•      LED与电阻串联，电阻与市电直接相连。这种拓扑最简单。只要电源电压高于二极管正向电压之和，LED即导通。LED的最大电流由电阻值决定： 其中n是LED的数量， Vf是其正向电压。

这个解决方案简单但效率不高。例如，一个12W的应用，其LED的最大电流可能达500 mA。总正向电压将为24V。对于220V的交流市电，所需电阻值为574W。这个电阻在电流为500mA时将消耗143W功率。当然，我们可以考虑使用低电流二极管，但达到相同功率所需的Vf更高。这样做的直接后果是，开启时间大幅缩短，且会出现闪烁。

1.2.2     降压式拓扑

•      降压式拓扑是最高效的拓扑结构之一。其基本原理如图5所示。



图5.  降压式拓扑原理图

当开关接通时，电流流过LED线圈并发光。为了控制电流值，一个传感器电阻与地串联。通过检测该电阻上的电压，当其达到过流保护（OCP）值时，开关会断开。线圈中存储的能量则通过续流二极管和LED释放。

这种拓扑有两大优点：

•      首先是效率非常高，特别是低功率应用时（小于10W）。使用这种拓扑的LED普通照明灯通常宣称其效率高于90%。

•      第二个优点是外形尺寸。总体外形尺寸对于灯具改良市场非常重要，因为最终的产品外形必须与传统白炽灯或卤素灯产品相近。降压式拓扑不使用变压器或光耦器件，因此线圈相对较小，特别在开关频率相对较高时尤其如此。

这种拓扑也有两个主要缺点

•      这种拓扑的主要缺点是不提供任何电气隔离。考虑到散热因素，LED通常安装在金属散热器上。这样，出于安全原因，会强制要求电气隔离。

•      第二个缺点是LED与线圈串联。这样就需要在二极管的总正向电压与转换器的最大损耗之间进行权衡。如果输入和输出之间压差过大，就会降低效率。

1.2.3      反激拓扑

反激式拓扑结构中，线圈由变压器代替，LED连接到变压器的次级端，如图6所示。



图6.  反激式拓扑原理图

当开关接通时，电流流过变压器，而变压器次级端上的二极管处于阻断状态。当开关断开时，次级端二极管开始导通，电流流过二极管并发光。

反激式拓扑的主要优点是LED与变压器的次级端相连。由于可以选择绕线匝
数比，所以不需要在LED的数量和效率之间进行权衡。这样的拓扑结构可以进行电隔离，因而设备的安全性提高了，VCC的产生也更为简单。还可以给变压器增加一个辅助绕组线圈，这样就能为控制器提供电源。

就改良市场而言，这种拓扑主要的缺点是其应用的实际尺寸较大。变压器（如需反馈则可能添加光耦）占用了大量空间。一些控制器，如SSL210x系列，可以同时兼容降压式和反激式拓扑。根据需求不同，如当需要安全性和良好的散热性能时，可以采用非常紧凑的降压式应用；如果要求LED功率很高或有电隔离，则可以使用反激式拓扑。为了获得更小的外形尺寸，SSL2101和SSL2102均集成了功率开关。

1.3     调光

LED很容易进行调光。其发光强度大致与供电电流成正比。只要降低平均电流，发出的光能就会减少。然而，要设计一个调光拓扑则比较复杂，需要使用不同的技术，如PWM调光、调频或者I峰值调制。

•        使用PWM调光时，输送至LED的瞬间电流只有两个值：0或I最大值

–       当PWM=0时，ILED= 0 A

–       当PWM=1时，ILED = I最大值

通过调整PWM信号的占空比，可以改变LED平均电流。这种技术要求转换器扮演类似于快速切换电流源的角色。这种技术的目标是容纳大电流并保持精确控制。开关损耗可能很高，特别是对于深度调光。

•      使用调频时，最大LED电流不变，但是转换器的频率会改变。换言之，转换器每个周期内输送至LED的能量是相同的，但是每秒钟的周期数量是变化的。调频的问题是在最小频率变得很低时会产生噪声，而在最大频率变得很高时会产生巨大的开关损耗。这些因素会增加深度调光的难度。

•      使用I峰值调制时，控制器频率是固定的，但电源开关的开启时间是变化的。因此，LED的最大电流I峰值是变化的。换言之，每秒钟的周期数是不变的，但是每个周期输送至LED的能量会减少。采用该技术进行深度调光时，要求脉冲必须非常小。由于开关损耗过大，一般不推荐使用这种方式。

一些控制器，如SSL2101及其衍生产品(SSL2102/03)，可以将调频和I峰值调制结合使用。这样可以将每种方法的缺点降至最低。在全功率时，可以优化开关频率来限制开关损耗。在调光状态下，同时降低I峰值和频率可以避免开启时间过短以及频率过低。因此，其调光水平可以低于1%。

1.4      寿命

LED的使用寿命较长是其主要优点，其宣称寿命可达5万小时。这个值比节能灯寿命要高出许多，远远超过了传统白炽灯的寿命。然而，LED不能单独使用（如上所述），需要其他器件提供驱动。在半导体行业，寿命测试的标准是1000小时。根据最终应用的工作温度不同，也采用一些系数用于器件寿命的估算。这1000小时的测试不足以确保所估算的寿命，还必须进行加速寿命测试来确保控制器的寿命与LED的寿命相当。

SSL210x系列产品成功通过了结温为150°C的8000小时寿命测试。根据最终应用中实际结温不同，估计寿命在115°C时可以达到4.5万小时，在105°C时可以达到7.5万小时。这些值足以支持"SSL210x系列产品可与LED同寿"的宣称。

1.5     结论

就数量而言，LED照明灯具目前在普通照明市场上仍然是少数。然而，随着市场逐渐升温，LED解决方案在未来几年必然逐渐占据市场主导地位。本文讨论了可调光LED照明应用的几个方面。降压式和反激式拓扑结构是两种常用拓扑结构。降压式拓扑为低功耗应用提供了非常紧凑和高效的解决方案，而反激式拓扑由于具有内部电隔离，对于要求安全和灵活的系统仍然是最佳选择。

调光器兼容性和调光范围是两个具有挑战的特性。围绕相关问题对各种选择加以权衡将是产品成功与否的关键。当前，恩智浦提供的SSL210X系列产品几乎覆盖了改良市场可调光应用的所有可能，因而可以针对每个设计进行优化，从而获得最佳的解决方案。