智能LED照明需要?jiǎng)?chuàng)新的管控和調(diào)光

前 言

照明對(duì)于我們的現(xiàn)代生活是至關(guān)重要的。無論它是用于照明住宅、辦公場(chǎng)所、公共建筑，還是用于提供安全保障或只是為了營(yíng)造氛圍。事實(shí)上，典型建筑中約25%的能源是用于照明的，這使得它成為了地球上最重要的能源使用之一。加上白熾燈照明方案效率極低，能源成本正在以驚人的速度增加。很容易就會(huì)發(fā)現(xiàn)我們正浪費(fèi)大量的世界資源，并為此付出高昂的代價(jià)。因此，各國(guó)政府正在尋求通過新的能源效率法規(guī)來管控照明，而LED等新技術(shù)正成為主流，有望節(jié)省高達(dá)40%用于照明的能源。

然而，隨著設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者開始尋求更高能效且創(chuàng)新的照明方案，因此需要開發(fā)更新的技術(shù)來滿足當(dāng)前和未來的市場(chǎng)需求。為了最大限度地發(fā)揮其潛力，智能照明需要更復(fù)雜和創(chuàng)新的方法。安森美半導(dǎo)體致力解決照明行業(yè)有關(guān)高效的電源轉(zhuǎn)換和有效的調(diào)光等挑戰(zhàn)，同時(shí)尋求能夠提供更高能效以及具有其它優(yōu)勢(shì)的下一代技術(shù)。

照明設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)

政府加強(qiáng)管控和消費(fèi)者的需求，使得現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)越來越大。能源之星和歐盟委員會(huì)等機(jī)構(gòu)關(guān)注的不僅僅是電子設(shè)備(包括照明)的能效，還關(guān)注其待機(jī)功耗，因?yàn)檫@可能會(huì)是長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)重要的能源消耗來源。在智能照明方案下，這一挑戰(zhàn)變得更加棘手，由于電源必須保持“開機(jī)”狀態(tài)，以搜尋控制器發(fā)出的信號(hào)，因此不斷地在汲取電流。目前，能源之星規(guī)定允許的待機(jī)功耗為0.5 W，但加州能源委員會(huì)(CEC)等機(jī)構(gòu)計(jì)劃在2019年之前將這一數(shù)字降至0.2 W，這將進(jìn)一步升級(jí)挑戰(zhàn)。

隨著照明從白熾燈轉(zhuǎn)向LED技術(shù)，調(diào)光方面也發(fā)生了改變，更為復(fù)雜的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)正在逐漸取代簡(jiǎn)單的電阻式或基于TRIAC的調(diào)光，這要求設(shè)計(jì)師采用不同的方法。

LED是一種低電壓技術(shù)，這意味著它們無法像白熾燈那樣直接由市電驅(qū)動(dòng)，而是需要一個(gè)電源，根據(jù)該LED應(yīng)用提供恒定電壓(CV)或恒定電流(CC)供電。電源對(duì)照明解決方案的整體性能和能效具有實(shí)質(zhì)性的影響，因此至少需要像LED本身一樣接受嚴(yán)格的審查。

目前市場(chǎng)上有許多不同的照明解決方案，功率從幾瓦到幾百瓦不等。因此，其驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方式也是多種多樣的。在較低功率水平下(通常低于10 W)，單級(jí)轉(zhuǎn)換拓?fù)涫亲钍軞g迎的方案。

由于多功能固態(tài)照明的應(yīng)用越來越廣泛，因此LED和與之相關(guān)的電源所占空間也被擠壓得越來越小，這就意味著效率至關(guān)重要，從而能夠使余熱的產(chǎn)生降至最低，并且能夠在較小且通常密閉的空間中可靠地安裝、運(yùn)行照明方案。

LED照明方案迅速發(fā)展的一個(gè)重要原因是LED本身價(jià)格的下降。因此，安裝人員和消費(fèi)者不僅僅希望LED電源可以在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的性能，也期待看到類似的價(jià)格下調(diào) (這意味著設(shè)計(jì)人員需要減少元件數(shù)量，并降低整體BoM成本)。

現(xiàn)代化的照明電源轉(zhuǎn)換方式

25～100 W范圍內(nèi)且適用于辦公室、工廠和住宅的照明是快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)領(lǐng)域之一，其中雙段式方法是最常見的解決方案。在許多應(yīng)用中，都會(huì)采用反激式功率因數(shù)校正器(PFC)且配備降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器形式的電源。

圖1 雙段式轉(zhuǎn)換是中等功率照明解決方案中常用的方法

該方法尤其適用于有調(diào)光需求的解決方案。它還能夠在待機(jī)模式下輕松關(guān)閉LED，并能夠?qū)Χ鄠€(gè)LED串進(jìn)行簡(jiǎn)單地控制，以獲得更加復(fù)雜的照明解決方案。

安森美半導(dǎo)體近期推出了針對(duì)此類應(yīng)用的集成方案，能夠采用兩個(gè)IC產(chǎn)品和少量外部元件來設(shè)計(jì)高性能的照明電源。

FL7740是一款單段式CV初級(jí)端調(diào)節(jié)(PSR)控制器，可通過內(nèi)置動(dòng)態(tài)功能(包括快速響應(yīng)時(shí)間)進(jìn)行CV調(diào)節(jié)(±3%)，能夠?qū)⒕€路和負(fù)載瞬變引起的過沖和下沖最大限度地降低至輸出電壓的10%以內(nèi)。

圖2 FL7740是用于照明應(yīng)用的單段式初級(jí)端控制器

該控制器支持80 V AC至382 V AC的通用寬范圍交流輸入，適用于全球任何地方的市電供電應(yīng)用。它能夠提供高達(dá)100 W的功率，而在待機(jī)模式下的功耗僅為0.15 W—輕松超越了所有的監(jiān)管要求。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能照明解決方案至關(guān)重要的“持續(xù)開機(jī)”運(yùn)行。

內(nèi)置的PFC級(jí)在滿載時(shí)能夠達(dá)到>0.9，且THD<10%。在半載的情況下，使用可選的PF優(yōu)化器，而0.9 PF這一數(shù)值保持不變。這就確保了在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)能夠?qū)⑤斎敫蓴_維持在最低水平，從而使FL7740得以廣泛應(yīng)用。

這一先進(jìn)的控制器包括了一系列對(duì)于照明系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要的保護(hù)功能：過載保護(hù)、輸出二極管短路保護(hù)、感應(yīng)電阻短路/開路保護(hù)，以及VDD和VS過壓保護(hù)。

以連續(xù)電流模式(CCM)運(yùn)行的FL7760降壓(Buck)控制器提供第二級(jí)轉(zhuǎn)換。該器件可在8～60 V寬電壓輸入范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)支持寬模擬和PWM調(diào)光，且功耗僅為150 μA。

重要的是，F(xiàn)L7760的PWM調(diào)光可覆蓋1～100%的全部輸出范圍，盡管某些運(yùn)行條件下，由于PWM的工作頻率可能會(huì)出現(xiàn)不理想的頻閃和可聞噪聲。模擬調(diào)光范圍為5～100%，相較于當(dāng)前通常僅能達(dá)到的15～100%，這可謂是現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)顯著提升。一般來說，模擬調(diào)光受到青睞是因?yàn)樗鼪]有PWM的缺陷，而FL7760使其首次成為可行的選擇。

圖3 FL7760是一款寬輸入范圍的降壓控制器，具有寬范圍調(diào)光能力

低于模擬閾值5%的調(diào)光的顯著優(yōu)勢(shì)之一在于FL7760能夠?qū)⒛M和PWM相結(jié)合，提供混合調(diào)光，無縫結(jié)合了這兩種方式，從而能夠提供全范圍調(diào)光功能，而不存在頻閃和可聞噪聲問題。與FL7740一樣，F(xiàn)L7760還提供多種保護(hù)功能，包括熱關(guān)斷和過流保護(hù)。

總 結(jié)