百家爭鳴:談LED照明晶元的技術趨勢

凌力爾特公司電源產品部產品市場總監Tony Armstrong稱,隨著 LED 的進一步發展,其效用或從電源產生光輸出的能力只會繼續提高。其次,LED 照明具有環保的特點,不需要處理、暴露和棄置於冷陰極熒光燈 (CCFL) 中常見的有毒水銀蒸氣。最後,白熾燈泡在使用約 1000 小時以後,常常需要更換,而熒光燈可以持續使用長達 1 萬小時。不過,與 LED 照明可提供超過 10 萬小時的壽命相比,這些數字就相形見絀了。

散熱、可靠性和安規需要重點考慮

德州儀器(TI)業務拓展經理韓乾全分析道,眾所周知,LED驅動模塊工作環境溫度較高,且模塊散熱條件較差,從而導致LED驅動電路一直在較高溫度下工作,這會導致LED應用可靠性降低、使用壽命縮短等一系列問題,因此散熱不得不重點考慮;可靠性和安規是很容易被有意忽略的部分,尤其是在強制執行相關規定前,為了降低成本,部分LED照明廠商會省略可靠性和安規方面電路;但這恰恰是LED照明產業能否長久發展的根本,也是LED驅動晶元廠商設計能力的體現,不同的晶元廠商提供的方案,增加這部分電路增加的成本差別很大。

台灣的聚積科技股份有限公司產品總監俞仲威認為應注意到標準化成形的趨勢,如美國能源之星及日本PSE規範。此外, 調光功能越來越受重視, 例如傳統的可控硅調光,1~10V調光,以及DALI調光。最後,就是針對解決散熱問題所衍生出對驅動方案的要求,除了成本的考慮,更輕量化的要求,同時也必須兼顧更好的電氣特性(效率、功率因數、電磁干擾、 輸出紋波等)。

LED需要豐富的電源轉換與驅動方案

安森美半導體照明市場技術行銷經理林志彥表示,LED本質上是低壓器件,根據色彩及電流的不同,其正向壓降可能在2 ~4.5 V之間變化,而且LED需要以恆流來驅動,從而確保提供所要求的發光強度和色彩。與此同時,LED應用多種多樣,需要採用不同的電源來供電,如高壓AC-DC、中等電壓DC-DC以及低壓DC-DC等。

這就要求根據具體應用要求,採用適合的電源轉換及LED驅動方案來驅動LED,如開關型驅動器、線性驅動器、線性恆流穩流器(CCR),以及高壓開關電源方案、功率因數校正(PFC)控制器,甚至是新穎的照明管理集成電路(LMIC),以配合具體應用需求,提供高能效及高可靠性,幫助發揮LED的長壽命優勢。

聚積科技也認為市場已不盲目追求“一次滿足”的方案,而是了解到各項特性之間存在著衝突,比如傳統單級輸出架構下,功率因數與輸出紋波無法同時優化而必須做出妥協。因此,聚積科技的策略是針對客戶不同需求提出不同的解決方案。以架構而言,在市場近年來片面傾向隔離式方案時,聚積認為不能忽略非隔離式架構在特定應用上無可取代的優勢,因此仍持續開發出多樣性的產品。目前除了主動功率因數校正產品、可控硅調光及四段調光產品已順利服役外,聚積也積極地朝向更高性價比的方案 努力。

離線式電源驅動促進應用

凌力爾特公司電源產品部產品市場總監Tony Armstrong稱,特別是在驅動HB (高亮度) LED的場合,通過運用一種滿足輸入電壓範圍以及所需輸出電壓和電流要求的轉換拓撲結構,凌力爾特的 LED 驅動器 IC 能夠提供適合諸多不同類型 LED 配置的足夠電流和電壓。

具體來看,僅用離線式電源驅動LED就可使應用呈指數性地飛速增長,因為不管是商用建築還是居民住宅中,這種形式的電源都可以非常便利地得到。雖然 LED 燈的更換附屬裝置相對簡單,最終用戶很容易安裝,但是對 LED 驅動器 IC 的新要求卻極大地提高了。由於 LED 需要一個良好調節的恆定電流源以提供恆定的光輸出,所以用 AC 輸入電源為 LED 供電需要採取一些特殊的設計方法,要滿足一些非常特別的設計需求。為此,凌力爾特近期推出了一款創新的離線式單級有源功率因數校正 (PFC) 隔離型反激式 LED 控制器,即 LT3799。

兼容性和集成控製成亮點

Marvell 綠色能源部營銷總監Lance Zheng指出,2011年, 整個照明市場的增長超過了40%, 2012年成為LED市場起飛的關鍵年。 兼容性和集成控制將成為技術發展的兩大亮點。

首先是兼容性,現有的照明架構基於傳統的照明技術,比如白熾燈技術。由於空間受限,如要替換這些燈泡和配置,LED燈需要採用相同規格的燈泡,以便和照明控制設備(例如已經配置的TRIAC調光器)相匹配。為了應對這個問題,燈泡內的驅動電路板面積就需要減小,同時要與各種調光器兼容。

其次是集成控制功能。通過很低的成本,為LED驅動電路增加無線控制技術即可帶來全新特性,例如色溫調節、模式照明、場景控制等。這些很酷的特性基於LED技術,有助於增加用戶對LED照明技術的接受度。

感知照明時代即將來臨

奧地利微電子感測驅動照明部門總監Sajol Ghoshal指出,推動LED照明技術不斷向前發展的主要因素是法規。目前,建造新的電廠已經變得非常昂貴,因此未來十年裡,世界各地的政府都在尋求顯著降低能源消耗的良方。一棟建築物中,相當高比例的能源消耗來自於照明。因此,強制降低能源消耗的新法規將影響照明系統的設計和安裝應用。歐盟正在計劃逐步淘汰低效的燈泡,也已經針對商業照明制定條例規定。

從歷史上來看,照明是一個粗糙控制的電負載,用一個簡單的開關手動控制,可以進一步精細化控制。例如美國加州議會法案32法規,要求建築物到2018年減少一半的能源消耗。其他建築法規,例如加州Title 24對此甚至提出了更具體的要求,諸如要求通過窗戶和天窗實施日光捕捉以降低能耗,以及要求建築物配備自動照明控制系統。目前,低成本的被動式紅外線探測器已很少用於房間內。通過建築系統控制照明能大大降低能源消耗,為用戶帶來高度優化的照明從而提高舒適度體驗,從這方面來看,顯然還有很長一段路要走。

因此,利用LED電源及靈活的優勢,在下一代照明系統中實現照明控制將是主要趨勢。該方案可以使照明系統能根據環境變化調整LED自身的亮度和色彩以配合環境需求,例如當房間內有足夠的日光或房間長時間無人時,該方法就可自動地減少大量能耗。

智能調光方案

NXP半導體也是智能調光的積極推動者。其大中華區照明產品市場經理張偉超介紹道,對於LED照明驅動器廠商,設計的方案需要更大限度地提升性能,包括PFC、THD、效率、輸出恆流精度等關鍵性能,同時減少電路板空間需求,降低設計複雜性和系統成本。同時,隨著LED住宅和商業照明應用的發展,調光的需求增大,但白熾燈用到的可控硅調光仍然會存在,所以驅動IC的架構設計中需要面對更廣泛的調光兼容性問題。

同時未來照明方案趨向于更智能的調光,考慮節能的因素,在照明領域最大的突破是改進照明的應用模式,即智能化,無線照明控制,或者“智能照明”。智能照明標志著我們與光的關係發生了根本的變化——無論在家、辦公室,甚至室外。用一個安全、小型、低成本的方案,將無線IP與高能效照明技術聯繫在一起,可以轉換我們的設計、控制和管理照明的方式。對於有IP地址的每個燈泡,這個完整的硬體/軟體方案可以實現IP間的連接,這樣就可以建立一個通過如智能手機、平板電腦和個人電腦等很容易控制的先進的照明系統。

圖1中的智能照明網路,包括了燈、開關、感測器、遠程控制,以及可選的通過智能手機、平板電腦和個人電腦的網管實現的IP控制方式。這些燈可以通過基於6LoWPAN的JenNet-IP堆棧協議實現網路IP控制。

相比傳統控制方案更優越的是,JenNet-IP SW堆棧允許系統通過智能手機、平板電腦和個人電腦來控制。這些功能可以通過低成本的網關實現,既可以通過互聯網也可以通過區域網(LAN)來控制。晶元iCFL或iSSL的方案適用於從家庭用戶到具有管理系統的專業用戶。

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