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LED的室内照明设计

上传人:王明德(台湾)

上传时间: 2012-11-09

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  LED照明大抵上可概括分为室内与室外照明两大领域,光以室内来说,又可分为一般住宅、商业办公与工业照明等领域,过去几年,驱动这种显着成长的关键应用领域之一是用于背光的 LED,然而随着通用照明 LED 应用在商业及住宅市场的转变,正加快成长的速度,基于省电能力,具备长使用寿命及额外利益的高亮度(HB) LED 持续驱动着广泛照明应用的发展,LED 持续加速成长的事实并不令人惊讶,商业应用正引领LED照明的变化,照明通常代表用于商业建筑物中25%至40%的能源使用总量。在未来几年内,随着LED灯具价格下降,成为更广泛的应用,住宅领域的照明市场也将大幅成长。

  LED照明高成长背后的主要驱动力,是LED照明比传统照明提供大幅降低的功耗。与白炽灯照明相较,以LED要提供同样的照明水準(流明)仅需少于其20%的电力。LED的优点包括优于白炽灯泡的使用寿命,这大幅降低了重置成本。使用预先安装的TRIAC调光器来为LED调光也是一个重要的好处,尤其是在住宅照明。此外,LED照明灯具不含有任何有毒物质,不需特别处理,但CFL(节能萤光灯)使用有毒的水银气体。最后,LED可达到非常扁平的外型设计,这在其他技术是无法达到的。

  很多人可能认为一般住宅的室内照明拥有相当庞大的商机,但就了解,全球室内照明市场在应用比例的分佈上,商用照明为43%、工业为30%、一般住宅照明仅有12%。而住宅照明领域,应只有传统照明大厂相对拥有竞争优势,其他二线业者恐怕不易进入,塬因在于,此一领域的技术门槛并不低于工业或是商用照明,加上价格又十分竞争,若无掌握通路与产能优势,要在该领域生存恐怕不易,以调光(Dimming)领域来说,大致上可分为传统的TRIAC与较新的Analog两大类,前者早在传统照明时代便存在有相当长的一段时间,后者则是需要透过MCU(微控制器)来进行控制。

  TRIAC调光器是专门设计来与白炽灯和卤素灯操作运用,这是完美的阻性负载。但LED照明的驱动电路一般是非线性的,不是一个纯阻性负载。当AC输入电压处与正和负峰值时其输入桥接整流器通常耗费高密度的峰值电流。因此,LED驱动IC的设计必须“仿”纯阻性负载,以确保LED的正常启动,而不产生可见闪烁并能以TRIAC正确调光。

  但LED照明要进入传统的TRIAC调光领域,乍看之下非常容易,但事实上,光是要作到接近传统TRIAC调光器的电路设计,就已伤透半导体业者的脑筋,塬因在于两种电路设计概念本就已经不同,加上传统照明领域的TRIAC调光设计,各家业者又不见得相同的情况下,LED灯泡一旦设计出来后,如何与墙上传统的TRIAC调光插孔达到最适化的匹配,便是相当大的挑战。此外,一般住宅专用的LED照明,也必须考量到成本、散热与电路板面积等各项问题,相较于商用或是工业照明相对不在乎成本与体积大小的情况下,一般住宅照明的技术门槛在此时更加显而易见。

  AC/DC与DC/DC相较,后者由于技术相对成熟,形成进入门槛相对较低,光以这部份的电路设计来说,投入业者较多,竞争压力并不会亚于AC/DC,同时,成本与元件体积也是客户非常在意的重点,尤其是球泡灯应用更是如此,因此如何在DC/DC这领域的激烈竞争中脱颖而出,成了半导体业者们的考验,像是LED灯泡的驱动晶片电流能否进一步的提升,LED晶片的数量就有可能从六颗减为叁颗,但这叁颗LED晶片的亮度较高,不论是体积或是整体成本上,就有机会获得全面性的压低。

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  就室内照明来说,依其功率大小的不同,对应的应用领域也颇有不同,如同前面所谈到的,一般住宅照明应用,所对应的到照明产品,大多也偏重在MR16、E27与A19等。这类的产品所在乎的,不外乎就是成本与体积上的限制,此外,另外一个重要的课题,就是产品的生命週期如何进一步延长?其中,电解电容的寿命问题,就成了最重要的关键。

  电解电容的讨论在LED照明领域中,的确是众家半导体业者所关心的议题,塬因在于电解电容的电解液,在愈高温的环境下,愈容易烧乾,进而造成寿命快速递减。与此同时,LED照明在电路设计架构上,亦可分成隔离与非隔离两大领域。就一般基本的电路设计上,电源必须先通过侨式整流器,通过电解电容后,再供电给LED驱动元件,以让LED元件发光。

  电解电容在温度每升高10度的情况下,寿命便会减少一半,将电解电容拿掉,便可拉长LED灯具的寿命。但他也坦言,拿掉电解电容的确会出现所谓「涟波现象」,但非隔离架构亦有安全性的问题,加上一般住宅照明亦有相当严峻的成本考量,在此一领域推出突破性的解决方案的确有相当高的难度存在。首先要解决涟波现象,可在整流器与驱动电路中间加上较小的电容,让涟波现象有效减缓。其次,非隔离架构所衍生的安全性问题,就必须交由架构设计来解决,两者相加,势必会让总体成本提高,如何拿捏就端看系统业者的智慧。但显而易见的是,若要进一步取代传统照明,现阶段恐怕不易。

  在功率小于20瓦的电路设计上,改用较小的电容以解决涟波现象,并非完全不可能。以返驰式架构为基础的一次侧(Primary-Side Regulation;PSR又称初级侧)电路而言,虽然各家业者都有相关的解决方案,但Fairchild所提供的方案中,在IC内部的电路中内建运算与滤波功能,设计上相对复杂许多,但透过此IC间接进行电流侦测,可让电流供应相对稳定,进而让涟波现象降到最低。

  不过,即便拿掉电解电容,改採像是陶瓷电容加上LDO(Low Dropout Regulator;低压差线性稳压器)的解决方案,涟波现象的严重与否,在同时考量到成本、体积等因素下,只要是客户能在接受的範围内,涟波现象不见得是全然无法接受的状况。但不管为何,以目前市场现况来说,只要功率大于5瓦以上,就必须纳入PFC(功率因素校正)的需求,因此这也是LED照明另外一个必须要注意的地方。

  此外PFC也是个LED照明的重要规範,如果电流成正比,并与输入电压同相位,便可取得功率校正係数。因为白炽灯是一个完美的阻性负载,输入电流和电压相同,而PFC值为1。

  PFC另外一个重要的地方在于,将LED灯具的谐波失真位準降至最低,国际电工协会 (International Electrotechnical Commission)制定了IEC61000-3-2 ,Class C照明设备谐波规範,便是需要新的LED照明灯具能满足这些低失真要求。

  在广泛的线性电压下,输出电压和温度变化间达到精準的LED电流稳压是在照明应用的关键,因为LED亮度的变化必须让肉眼难以觉察。同样的,为确保最长LED的使用寿命,不以高于最大额定电流来驱动LED相当重要。此外,隔离返驰式应用中的LED电流稳压并不是直接的,往往需要光耦合器来完成所需的反馈迴路,或可能需增加一个额外的转换步幅。然而,这些方法都增加了复杂性和可靠性问题。幸运的是,一些LED驱动IC设计纳入了新的设计技术,不仅可提供準确的LED电流稳压,而没有这些额外的零组件或设计复杂性。

  总体而言,住宅室内LED照明市场并不如外界所想的那么简单,除了价格因素,还有尺寸,以及过去传统照明所留下的高进入障碍,都让半导体业者必须努力来突破各项限制。虽然LED照明已正式迈入成长期,不过就现阶段来说,恐怕仍是商用或是工业照明市场,会有较大的成长动能,住宅室内照明也许还得再等待一段时间。

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