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資料

LED的室內(nèi)照明設計

上傳人:王明德(臺灣)

上傳時間: 2012-11-09

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  LED照明大抵上可概括分為室內(nèi)與室外照明兩大領(lǐng)域,光以室內(nèi)來說,又可分為一般住宅、商業(yè)辦公與工業(yè)照明等領(lǐng)域,過去幾年,驅(qū)動這種顯著成長的關(guān)鍵應用領(lǐng)域之一是用于背光的 LED,然而隨著通用照明 LED 應用在商業(yè)及住宅市場的轉(zhuǎn)變,正加快成長的速度,基于省電能力,具備長使用壽命及額外利益的高亮度(HB) LED 持續(xù)驅(qū)動著廣泛照明應用的發(fā)展,LED 持續(xù)加速成長的事實并不令人驚訝,商業(yè)應用正引領(lǐng)LED照明的變化,照明通常代表用于商業(yè)建筑物中25%至40%的能源使用總量。在未來幾年內(nèi),隨著LED燈具價格下降,成為更廣泛的應用,住宅領(lǐng)域的照明市場也將大幅成長。

  LED照明高成長背后的主要驅(qū)動力,是LED照明比傳統(tǒng)照明提供大幅降低的功耗。與白熾燈照明相較,以LED要提供同樣的照明水準(流明)僅需少于其20%的電力。LED的優(yōu)點包括優(yōu)于白熾燈泡的使用壽命,這大幅降低了重置成本。使用預先安裝的TRIAC調(diào)光器來為LED調(diào)光也是一個重要的好處,尤其是在住宅照明。此外,LED照明燈具不含有任何有毒物質(zhì),不需特別處理,但CFL(節(jié)能螢光燈)使用有毒的水銀氣體。最后,LED可達到非常扁平的外型設計,這在其他技術(shù)是無法達到的。

  很多人可能認為一般住宅的室內(nèi)照明擁有相當龐大的商機,但就了解,全球室內(nèi)照明市場在應用比例的分佈上,商用照明為43%、工業(yè)為30%、一般住宅照明僅有12%。而住宅照明領(lǐng)域,應只有傳統(tǒng)照明大廠相對擁有競爭優(yōu)勢,其他二線業(yè)者恐怕不易進入,塬因在于,此一領(lǐng)域的技術(shù)門檻并不低于工業(yè)或是商用照明,加上價格又十分競爭,若無掌握通路與產(chǎn)能優(yōu)勢,要在該領(lǐng)域生存恐怕不易,以調(diào)光(Dimming)領(lǐng)域來說,大致上可分為傳統(tǒng)的TRIAC與較新的Analog兩大類,前者早在傳統(tǒng)照明時代便存在有相當長的一段時間,后者則是需要透過MCU(微控制器)來進行控制。

  TRIAC調(diào)光器是專門設計來與白熾燈和鹵素燈操作運用,這是完美的阻性負載。但LED照明的驅(qū)動電路一般是非線性的,不是一個純阻性負載。當AC輸入電壓處與正和負峰值時其輸入橋接整流器通常耗費高密度的峰值電流。因此,LED驅(qū)動IC的設計必須“仿”純阻性負載,以確保LED的正常啟動,而不產(chǎn)生可見閃爍并能以TRIAC正確調(diào)光。

  但LED照明要進入傳統(tǒng)的TRIAC調(diào)光領(lǐng)域,乍看之下非常容易,但事實上,光是要作到接近傳統(tǒng)TRIAC調(diào)光器的電路設計,就已傷透半導體業(yè)者的腦筋,塬因在于兩種電路設計概念本就已經(jīng)不同,加上傳統(tǒng)照明領(lǐng)域的TRIAC調(diào)光設計,各家業(yè)者又不見得相同的情況下,LED燈泡一旦設計出來后,如何與墻上傳統(tǒng)的TRIAC調(diào)光插孔達到最適化的匹配,便是相當大的挑戰(zhàn)。此外,一般住宅專用的LED照明,也必須考量到成本、散熱與電路板面積等各項問題,相較于商用或是工業(yè)照明相對不在乎成本與體積大小的情況下,一般住宅照明的技術(shù)門檻在此時更加顯而易見。

  AC/DC與DC/DC相較,后者由于技術(shù)相對成熟,形成進入門檻相對較低,光以這部份的電路設計來說,投入業(yè)者較多,競爭壓力并不會亞于AC/DC,同時,成本與元件體積也是客戶非常在意的重點,尤其是球泡燈應用更是如此,因此如何在DC/DC這領(lǐng)域的激烈競爭中脫穎而出,成了半導體業(yè)者們的考驗,像是LED燈泡的驅(qū)動晶片電流能否進一步的提升,LED晶片的數(shù)量就有可能從六顆減為叁顆,但這叁顆LED晶片的亮度較高,不論是體積或是整體成本上,就有機會獲得全面性的壓低。

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  就室內(nèi)照明來說,依其功率大小的不同,對應的應用領(lǐng)域也頗有不同,如同前面所談到的,一般住宅照明應用,所對應的到照明產(chǎn)品,大多也偏重在MR16、E27與A19等。這類的產(chǎn)品所在乎的,不外乎就是成本與體積上的限制,此外,另外一個重要的課題,就是產(chǎn)品的生命週期如何進一步延長?其中,電解電容的壽命問題,就成了最重要的關(guān)鍵。

  電解電容的討論在LED照明領(lǐng)域中,的確是眾家半導體業(yè)者所關(guān)心的議題,塬因在于電解電容的電解液,在愈高溫的環(huán)境下,愈容易燒乾,進而造成壽命快速遞減。與此同時,LED照明在電路設計架構(gòu)上,亦可分成隔離與非隔離兩大領(lǐng)域。就一般基本的電路設計上,電源必須先通過僑式整流器,通過電解電容后,再供電給LED驅(qū)動元件,以讓LED元件發(fā)光。

  電解電容在溫度每升高10度的情況下,壽命便會減少一半,將電解電容拿掉,便可拉長LED燈具的壽命。但他也坦言,拿掉電解電容的確會出現(xiàn)所謂「漣波現(xiàn)象」,但非隔離架構(gòu)亦有安全性的問題,加上一般住宅照明亦有相當嚴峻的成本考量,在此一領(lǐng)域推出突破性的解決方案的確有相當高的難度存在。首先要解決漣波現(xiàn)象,可在整流器與驅(qū)動電路中間加上較小的電容,讓漣波現(xiàn)象有效減緩。其次,非隔離架構(gòu)所衍生的安全性問題,就必須交由架構(gòu)設計來解決,兩者相加,勢必會讓總體成本提高,如何拿捏就端看系統(tǒng)業(yè)者的智慧。但顯而易見的是,若要進一步取代傳統(tǒng)照明,現(xiàn)階段恐怕不易。

  在功率小于20瓦的電路設計上,改用較小的電容以解決漣波現(xiàn)象,并非完全不可能。以返馳式架構(gòu)為基礎(chǔ)的一次側(cè)(Primary-Side Regulation;PSR又稱初級側(cè))電路而言,雖然各家業(yè)者都有相關(guān)的解決方案,但Fairchild所提供的方案中,在IC內(nèi)部的電路中內(nèi)建運算與濾波功能,設計上相對復雜許多,但透過此IC間接進行電流偵測,可讓電流供應相對穩(wěn)定,進而讓漣波現(xiàn)象降到最低。

  不過,即便拿掉電解電容,改採像是陶瓷電容加上LDO(Low Dropout Regulator;低壓差線性穩(wěn)壓器)的解決方案,漣波現(xiàn)象的嚴重與否,在同時考量到成本、體積等因素下,只要是客戶能在接受的範圍內(nèi),漣波現(xiàn)象不見得是全然無法接受的狀況。但不管為何,以目前市場現(xiàn)況來說,只要功率大于5瓦以上,就必須納入PFC(功率因素校正)的需求,因此這也是LED照明另外一個必須要注意的地方。

  此外PFC也是個LED照明的重要規(guī)範,如果電流成正比,并與輸入電壓同相位,便可取得功率校正係數(shù)。因為白熾燈是一個完美的阻性負載,輸入電流和電壓相同,而PFC值為1。

  PFC另外一個重要的地方在于,將LED燈具的諧波失真位準降至最低,國際電工協(xié)會 (International Electrotechnical Commission)制定了IEC61000-3-2 ,Class C照明設備諧波規(guī)範,便是需要新的LED照明燈具能滿足這些低失真要求。

  在廣泛的線性電壓下,輸出電壓和溫度變化間達到精準的LED電流穩(wěn)壓是在照明應用的關(guān)鍵,因為LED亮度的變化必須讓肉眼難以覺察。同樣的,為確保最長LED的使用壽命,不以高于最大額定電流來驅(qū)動LED相當重要。此外,隔離返馳式應用中的LED電流穩(wěn)壓并不是直接的,往往需要光耦合器來完成所需的反饋迴路,或可能需增加一個額外的轉(zhuǎn)換步幅。然而,這些方法都增加了復雜性和可靠性問題。幸運的是,一些LED驅(qū)動IC設計納入了新的設計技術(shù),不僅可提供準確的LED電流穩(wěn)壓,而沒有這些額外的零組件或設計復雜性。

  總體而言,住宅室內(nèi)LED照明市場并不如外界所想的那么簡單,除了價格因素,還有尺寸,以及過去傳統(tǒng)照明所留下的高進入障礙,都讓半導體業(yè)者必須努力來突破各項限制。雖然LED照明已正式邁入成長期,不過就現(xiàn)階段來說,恐怕仍是商用或是工業(yè)照明市場,會有較大的成長動能,住宅室內(nèi)照明也許還得再等待一段時間。

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