低功率LED照明趨勢

LED照明應(yīng)用將從三個基本輸入功率水平劃分開始：小于或等于20W功率的低功率、20W到50W之間的中等功率，以及大于50W應(yīng)用的大功率：參見圖1。請記住，真實(shí)世界應(yīng)用不會恰好符合這三種分法，但當(dāng)考慮LED驅(qū)動器解決方案時，這三種功率水平是一致的。LED應(yīng)用專注于高亮度LED設(shè)計。

本文的主題為≤20W低功率應(yīng)用，尤其是燈泡型照明燈的替換或改型—替代現(xiàn)有燈具和照明器具。這也包括新結(jié)構(gòu)照明器具。

低功率LED照明的趨勢

2010年全球高亮度LED的銷售估計在8.90億美元，預(yù)計從2010年到2015年，年均增長率(CAGR)為39%，可見市場潛力很大。但對于LED驅(qū)動器，主要趨勢是與驅(qū)動器相關(guān)的功效改進(jìn)、成本降低和長工作壽命。功效就是流明與瓦特之比。

“DOE SSL（美國能源部固態(tài)照明）計劃”預(yù)計高亮度LED的潛力會超出今天和過去的傳統(tǒng)技術(shù)；圖2和圖3顯示了功效不斷提高的趨勢。在功效的定義上，輸入功率位于分母，輸入功率以及將能量傳遞給LED燈串的效率與LED驅(qū)動器解決方案相關(guān)。在全范圍LED負(fù)載功率和負(fù)載可能性下，單一的驅(qū)動器拓?fù)洳皇亲罴堰x擇，但可以考慮最少的拓?fù)鋪頋M足全部的LED驅(qū)動器開發(fā)需求。

選擇最高效的半導(dǎo)體，可作為選擇拓?fù)涞囊罁?jù)，但驅(qū)動器的成本也是約束條件。DOE SSL計劃估計現(xiàn)今的成本如圖4所示；驅(qū)動器占總體制造成本的10%～20%。

這是最終用戶看到的總體成本目標(biāo)，對于LED照明解決方案的采用，這已成為最常見的阻礙而無關(guān)性能改進(jìn)。美國能源部在2011年固態(tài)照明市場介紹研討會上提出的成本目標(biāo)要求如圖5所示；幾乎每4年成本下降50%。LED驅(qū)動器拓?fù)溥x擇還可帶來成本最佳的解決方案。

工作壽命也與電源的可靠性有關(guān)。可靠性受LED驅(qū)動器的元件數(shù)目、所用元件類型、溫度或功率損耗的影響。使用元件數(shù)目法可以計算LED驅(qū)動器的可靠性并根據(jù)目標(biāo)確定減少元件的數(shù)目。可靠性也受工作溫度影響，因而熱設(shè)計也是重要的，同樣重要的是減少與LED驅(qū)動器元件和拓?fù)淇刂品椒ㄏ嚓P(guān)的功率損耗。發(fā)展趨勢是省去電解電容器，以及光隔離器等其它元件，并將功能集成在硅控制器件中。

低功率LED驅(qū)動器設(shè)計挑戰(zhàn)

低功率LED應(yīng)用分析

下面將回顧低功率LED照明；結(jié)構(gòu)、功能、設(shè)計挑戰(zhàn)和應(yīng)用趨勢。

MR11/16 LED燈

MR11/16燈是一種典型的鹵素?zé)簦淦胀ㄐ偷念~定功率為20W、35W和50W。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有鹵素?zé)舻牡湫驮O(shè)計如圖6所示

輸入電壓可以是DC 12V或24V，或者直接插接到120V或230V AC市電電源。12V或24V電壓可以來自一個簡單變壓器，該變壓器使用主電源AC電壓并輸出12 V/24V AC作為燈座輸入。LED替代產(chǎn)品需要作為一個恒流源來控制。一個4W的LED MR燈相當(dāng)于一個20W鹵素?zé)簟Ｄ承┬吞柧哂姓{(diào)光特性，發(fā)展趨勢是此類產(chǎn)品的供應(yīng)增多。

驅(qū)動器設(shè)計挑戰(zhàn)

MR11/16設(shè)計的最大挑戰(zhàn)是缺乏標(biāo)準(zhǔn)，包括燈具和燈泡外形、功率因數(shù)和總諧波失真要求(能源之星LED燈具≥0.9，對于>5W的一體燈，≥0.7)，以及低系統(tǒng)功率效率。考慮到圖7燈的尺寸必須包含驅(qū)動器，占位空間小的LED驅(qū)動器受到歡迎。

有兩種印刷電路板(PCB)外形尺寸，一種如圖8所示，是圓形的，采用LED模塊的背面。圓形直徑應(yīng)該小于30mm，并且較高的元件位于中心連接器的5mm范圍內(nèi)。

另一種PCB板的外形尺寸如圖9，是立式的。它需要小于30mmx20 mm。

飛兆半導(dǎo)體的方案

飛兆半導(dǎo)體提出一個新的LED驅(qū)動器件來解決AC-DC問題，如圖10所示的FL7701。它是一個智能型非隔離PFC降壓LED驅(qū)動器解決方案。直接使用AC線路輸入電壓，有可能實(shí)現(xiàn)可用于MR燈罩的小型PCB尺寸。此LED驅(qū)動器設(shè)計省去了所有的電解電容器：通常用于輸入、輸出和IC Vcc電壓。通過僅使用少量外部元件，可以滿足PF和THD要求，同時實(shí)現(xiàn)超過80%的高效率。相對于升壓設(shè)計，降壓拓?fù)溥€具有連續(xù)輸出電流(減少紋波電流)的優(yōu)勢，因?yàn)殡姼信c輸出串聯(lián)，對于LED負(fù)載，降壓拓?fù)淇雌饋硐窈懔髟础Ｉ龎和負(fù)涞妮敵鲭娏魇遣贿B續(xù)的，除非使用輸出電容器來過濾紋波電流。

A19、E14/17、E26/27燈泡

某些燈泡類型還被簡稱為螺口插座(Edison socket)和蠟燭型燈。多數(shù)為白熾燈泡，采用CFL或LED替代產(chǎn)品能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用要求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其輸入電壓直接來自AC電源，燈座類型為：E14/17(蠟燭型)，A19/E26/27螺口式，額定功率：1~5W用于蠟燭型燈、4~17W用于白熾燈替換。外形尺寸如圖11所示。

設(shè)計挑戰(zhàn)

對于蠟燭型燈的LED驅(qū)動器設(shè)計挑戰(zhàn)就是小型PCB空間，其空間小于MR燈空間且工作于AC輸入電壓電源。采用LED驅(qū)動器設(shè)計來替換白熾燈，它的PCB空間比蠟燭型燈或MR燈大，額定功率也較大，因而LED驅(qū)動器也較大，實(shí)際結(jié)果是PCB空間仍然受限，類似于如蠟燭型燈。對于螺口燈泡設(shè)計，PF和THD幾乎是強(qiáng)制的。還有額外的調(diào)光功能要求。

對于燈座側(cè)呈拋物型外形的E26/27燈的PCB外形尺寸，燈座側(cè)為20 mm，在LED模塊側(cè)為35 mm，長度為70mm，參見圖12。

要求效率大于75%。對兼容調(diào)光器設(shè)計的少許簡短注釋包括兼容各種保持電流、在大范圍的光幅度內(nèi)工作呈線性，以及無閃爍。

飛兆半導(dǎo)體解決方案

飛兆半導(dǎo)體的初級調(diào)節(jié)控制器如表1所示。當(dāng)工作于恒流調(diào)整模式下，使用峰值漏極電流IPEAK和電感器電流放電時間TDIS可以估計出輸出電流，因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)下輸出電流與二極管電流平均值相同。采用飛兆半導(dǎo)體創(chuàng)新的TRUECURRENT技術(shù)，可以精確控制恒流輸出。

這些燈型為AC電壓輸入，額定功率介于4W~20W，燈座為螺口型E26/27或2針型GU10，如圖13所示。

有了較大的燈尺寸，就有了相當(dāng)大的空間來容納LED驅(qū)動器解決方案，并且PF和低THD仍然是強(qiáng)制要求。

設(shè)計挑戰(zhàn)

這些LED燈的較高瓦數(shù)會引起更高的Vds，peak(尖峰)通過MOSFET，因而需要B V D s s額定值較高的MOSFET。對于高壓尖峰，由于輸入電流較高，BVDss額定值必須降低。圖14顯示了電壓尖峰為匯總的Vds，peak = Vin+nVo+Vos，其中nVo是反射的輸出電壓，也稱為Vro。

通常使用緩沖器來限制Vos峰值電壓，但緩沖器會消耗能量，從而降低了LED驅(qū)動器效率：

飛兆方案

飛兆半導(dǎo)體的解決方案如表2所示，單級反激與2級方法的對比如表3所示。