用高亮度LED提高家庭的能效

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作者:Intersil 公司首席应用工程师 Tamara Schmitz

 
有很多理由让家庭用户采用高亮度发光二极管(HBLED)。HBLED能节约大量能源,而且还因为不含汞,因而对环境更安全。HBLED的寿命是最长的,能够减少维护成本。HBLED还提高了安全性,因为它们不会立刻失效,而是逐步老化衰减。
 
高功率LED需要用350~1000mA级别的高驱动电流。采用最新技术,每个LED能产生40~80流明的光通量,功率一般为1~3W。根据美国能源部网站上的资料,主要的LED制造商是Cree、Philips和Osram。
 
进入21世纪后,LED技术一直在稳步发展。在两年前,LED的光输出(以流明/瓦为单位)就超过了所有其他光源。再加上能节约大量能源,LED正在引发家庭照明的一场革命。
 
下面将把HBLED与广泛使用的白纸灯和荧光做一番比较,我们还会给出一个家庭应用的电路实例。
 
比较光源
 对HBLED的好处心知肚明的消费者会想办法尽可能多地使用HBLED。通过表1中的数据对比可以发现,显然HBLED是亮度最高的照明方案。
 

 

 
HBLED
白炽灯
荧光灯
节能灯
能效
22%
0.7-2.6%
8-15%
9%
颜色色调与电流的关系
很小
会变化
光照角度
聚焦的
反光
反光
反光
寿命 (小时)
50k
1k-2k
30k
10k
振动/冲击
固态
易碎
易碎
易碎
尺寸
非常小
是否含汞
故障模式
衰减
烧坏
烧坏
烧坏
驱动电路
需要电源
直接接交流电
需要镇流器
需要镇流器

表1,不同光源的比较
 
让我们仔细地看看这张表。光源的能效类似于效率。与发热量相比,有多少输入到灯泡里的能量变成了光?用户希望这个数值更高一些,显然HBLED做到了这一点。如果驱动电流波动,白炽灯的颜色色调最可能发生变化。
 
与白炽灯相比,荧光灯和HBLED的主要优势是寿命。其中的一个主要原因是,在许多国家白炽灯泡正在被逐步淘汰。接下来,HBLED可能在普及率上要超过荧光灯,因为HBLED是固态的(由硅材料制造,不易碎),尺寸非常小,而且不含有害的化学成分(不需要采用特殊的环境处理)。
 
HBLED照明的设计目标
 
让消费者改用HBLED,要求HBLED必须具有高质量。消费者要求功率因数至少要达到90%,效率达到80%或更高。在直流应用中,最大输入电压不能超过40V。在交流应用中,可能采用120V或240V(最大270V)的输入电压。HBLED必须用工作频率超过120Hz的脉宽调制器驱动,以减小烦人的可见光频闪。有时候,这个频率还需要是可变的。除了这些设计约束,还要由工程师和应用来决定使用隔离还是非隔离的设计方案。如果有必要,最后还可能考虑使用复杂的调光电路。
 
正如您所看到的那样,没有一个万能的解决办法。设计中需要考虑的事项是环环相扣的。每种方案都需要根据LED的数量和流过LED的电流进行专门设计。设计者还需要根据不同的电磁器件,以及所选用的功率器件和输出电容器进行调整。
 
应用电路
 
HBLED的价格大约是1美元到2美元。由于在每个设计方案中,HBLED都是成串使用,因此在设计时,不用考虑转换器的成本约束问题。
 
首先介绍的控制器是ISL6721。ISL6721是单端脉宽调制电流模式控制器,其峰值电流模式控制能有效地解决瞬时功率问题,并且提供内置的过流保护。已经有一家大型合同制造商采用ISL6721,生产出能替换目前所使用的T8电路的产品(替换荧光灯启辉器中传统的镇流器电路)。ISL6721也可以设置成白炽灯的替换方案。非固态的回扫方案目前已经用在亚洲的一个购物中心。该方案使用了10个HBLED,输出达10W,效率为82%。
 
要在家用市场中真正具有竞争力,HBLED照明方案还必须提供调光功能。智能电路可以做到这一点。记住,LED是由脉宽调制控制器驱动的。也就是说,LED不总是处在“开”的状态。给LED供电的脉冲的数量是由控制器控制的,并且是可变的。碰巧,这项工作也是由“控制器”完成的。
 
 
图1,带有调光功能,可驱动6个LED的射灯电源适配器电路
 
 
图1显示了一个由6个LED的适配器和调光电路组成的射灯方案的完整电路图。设计的核心(当然要把HBLED刨除在外)是ISL6745A控制器。右上角的器件组成了一个SEPIC控制器,驱动串在一起的6个HBLED。四周的放大器进行电流调整,短路保护和过压保护。在左下角,您可以找到交流调光电路。调光器的放大器输出先进行滤波,然后用作电流调整器的参考点,反馈到控制环路中。
 
ISL6745A的偏置电压VDD的范围是6.5V~20V,低边FET驱动器的输出为12V、1A,可以驱动一个低边FET(如此设计中的Q1)、高压驱动IC的栅极或是栅极驱动变压器。
 
在Intersil的产品当中,ISL6745A是最受欢迎的HBLED驱动器。除了图1所示的使用方法,还可以对ISL6745A的开关频率、软启动、过温保护进行调整,“死区时间”也可以精确调整。ISL6745A采用节省空间的MSOP-10封装。ISL6745A的灵活性也是其一大特定,既可以工作在隔离方式也可以工作在非隔离方式,调光功能也是可选的。
 
结论
 
HBLED是消费类照明的最绿色的替代产品,而且技术进步已经足以使其成为可行的方案。市场上已经出现了可以替代白炽灯和荧光灯的方案。节约能源,延长使用寿命,提高安全性和增加可靠性,请使用HBLED。
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