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1、LED照明设计需考虑的各种因素技术分类：电源技术21ic巴照明应用的主要设计挑战包括以下几个方面：散热、 高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性 和消除色偏。这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架 构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决。由于LED灯必须能够装设在原有的旧式插座之内，因此散 热是一个必须克服的大问题。但严格来说，这可以利用机械工 程技术解决的问题，LED系统生产商的责任是努力开发新技 术，尽量提高LED的亮度（即每单位功率产生的流明量）。吴 志民自信地说：“我们可以提供功效效率最高的LED驱动器， 以确保可将整个灯光系统的散热量减至最少。”LED的相对高成本是
2、LED照明市场目前仍难以大规模起飞 的主要障碍。例如，英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品 市场总监AlexanderSommer就说：“大多数小于25W的典型 LED照明应用是标志灯、标识灯、以及替代标准的白炽灯和卤 素灯。但与现有的荧光灯和白炽灯技术相比，LED初始成本仍 然是进入大众市场的一个主要障碍。”Cytech产品及设计部工程师徐瑞包也认同主要商业化挑 战是成本。他说：“目前各种功率的LED照明系统在电路上都 是可以实现的，技术挑战来自于终端应用的要求，比如应用于 汽车，要考虑到光学设计以及整体散热设计等。商业化部署的 挑战则主要来自于LED成本。”LED照明设计的散热考虑25W以
3、下的LED照明系统一般设计用于像阅读台灯、走廊 灯、客厅射灯、家用餐灯、小夜灯等应用，客户一般希望这类 应用设计得越小巧越好,因此其PCB能安放的设计空间相对来 说比较小，因此长时间使用时封装空间内的温度有可能会很 高。由于设计师不太可能在其内安装一个散热风扇，因此它的 散热设计就变得非常关键和重要。“大多数小于25W的低功率LED照明应用要求一定程度的 小型化。这常常导致更高的功率密度，尽管功耗不是很大。足 够的散热管理措施必须通过改进的机械结构提供。此外，高电 气效率有助于降低功耗。” AlexanderSommer指出，“如果需 要进一步减少热阻，这可以通过电气隔离来做到，因为它可以 实
4、现最高效率的热传递。这些方法也允许实现优化的流明输 出。”另一种防止LED长时间工作过热问题的思路是采用调光 解决方案。飞兆半导体公司高压IC产品行销经理 SangCheolHer表示：“相比荧光灯和白炽灯，采用调光解决 方案是降低LED功耗的重要途径,这种方案利用调光控制器来实现。尤其是对于小于25W的LED驱动解决方案，由于PCB 尺寸小，而封装空间有限，散热问题无可避免，所以该方案更 显重要。”事实上，在这个功率范围内，LED照明灯将会取代卤素灯 和紧凑型荧光灯（CFL）。此外，先进的技术为了摆脱散热问 题，必须去掉对温度变化敏感的无源组件如电解电容。然而, 目前大多数LED驱动器解决方
5、案都源于电源拓扑并以此为基 础，故应该考虑到温度范围的限制，因为一般产品通常基于商 业标准，但照明灯却必须确保能够适应严苛的环境如工业环 境。LED照明设计的架构选择LED照明系统架构选择取决于你的设计目标是低成本、高 效率还是最小PCB面积。一般来说，小于25W的LED照明系统 不要求进行功率校正，因此可以采取简单一些的拓扑架构，如 PSR或Buck拓扑。25W-100W的LED照明应用要求进行功率校 正,因此一般采用单级 巴、准谐振（QR） PWM或反激式拓扑。 100W以上LED照明应用一般采用效率更高的LLC拓扑和双级 PFC.“低于25W功率LED照明解决方案可采用PSR或Buck拓
6、 扑，因为这一功率范围主要针对小型设计,强调设计的简单性。 中等功率解决方案（25W-100W）适合于单级PFC、准谐振（QR）PWM、反激式拓扑。” SangCheolHer说，“大功率解决方案（大 于100W）则适合采用LLC、QRPWM、反激式拓扑设计。从效率 角度来看，LLC和QR性能更好；而PSR方案无需次级反馈， 设计简单，尺寸也比其它方案小。”郑宗前也表示：“小于25W的LED灯具主要应用在室内照 明，它们主要采用低成本的反激拓扑结构。安森美半导体的 NCP1015和NCP1027单片变换集成电路集成了内置高压MOSFET 和PWM控制器，可以有效的减少PCB的面积和灯具的体积，
7、提 供最大25W的功率输出（230VAC输入）。”“对于非隔离型小于25WLED照明应用，如果输入到输出 转换比低，那么简单的降压转换器可以是一个低成本和小体积 的选择。在看重效率的隔离型拓扑架构中，使用像英飞凌 CoolSETICE2QS系列器件的准谐振反激式拓扑就是一个很好 的选择。” AlexanderSommer说。英飞凌是第一家提供数字准 谐振反激控制IC的供应商。25W-100W功率范围的典型LED照明应用是街道照明（小 区道路）和像停车场这样的公共场所。功率转换效率、PFC功 能的高性价比实现和高颜色品质现在是最重要的三大技术挑 战。例如，在商业照明和街道照明应用中，更长得使用寿
8、命和 由此产生的更低维护成本正帮助克服较高初始成本的进入障 碍。25W到100W的LED照明应用有功率因数的要求，因此需 要增加功率因数校正电路。“这种电路可以采用传统的两段式结构，即有源非连续模式 功率因数校正（PFC）电路加DC-DCPWM变换电路，如安森美的功率因数校正控制器NCP1607,NCP1607的外围电路非常简单 并可以提供很好的性能。”郑宗前表示，“对于高效率、低成 本和小体积的LED方案而言，值得推荐的是单段的PFC电路, 它可以同时实现功率因数和隔离的低压直流输出，并具有显着 的成本优势，必将成为中等功率LED照明的主流方案。安森美 半导体的NCP1652为实现单级的PF
9、C电路提供了最优的控制方案。深圳世强电讯则采用SiliconLabs的C8051F3XX系列8 位MCU以软件方式实现PFC.该公司助理市场经理黄孙峰说： “我们针对家用市电（180V-260V）输入10W-30W小功率LED 照明应用开发出的全数字化LED照明方案，可用软件控制方式 实现高达0.95的PFC值。与硬件PFC相比，该套软件方案在 保证同样性能指标的前提下，还具有更高的灵活性、适应性及 可升级性。”该方案采用的LED驱动器MIC3230的最大输出电 流为350mA,最多可驱动12颗1W的LED,能够很好地满足室内 照明的需求。AlexanderSommer说：“对于要求在一个很宽
10、的输入和/ 或负载范围内（如调光）具有效率和性能的25W-100W功率LED 照明应用，建议采用带一个独立PFC级的准谐振反激式拓扑结 构。典型地可实现高达90%的效率。”100W以上应用包括主要道路和高速公路照明（这里需要 高达20K流明或以上的亮度、以及250W的电源输入）和专业 应用，如舞台灯光照明和建筑泛光灯照明。在高功率应用中使 用LED的一个关键驱动力是可靠性和低功耗带来的低拥有成 本。例如，其系统效率可与金属卤化物和低压钠灯相比。初始 成本比较可能在短期内继续是该市场进入门槛。郑宗前指出：“对于大于100W的LED应用，我们将采用 传统的有源非连续模式功率因数校正电路和半桥谐振D
11、C-DC 转换电路。我们推出了一种新型的集成控制器，它集成了有源 非连续模式功率因数控制器和具有高压驱动的半桥谐振控制 器。”该半桥谐振控制器工作在固定的开关频率和固定的占空 比，并且该电路不需要输出侧的反馈控制回路。这使得半桥谐 振DC-DC变换电路工作在效率最高的ZVS和ZCS状态。直流输 出电压将跟随功率因数校正电路的输出。AlexanderSommer强调：“对于100W以上的更高功率级 LED照明应用，效率变得更加重要，建议使用LLC谐振拓扑结 构，它可以实现90%以上的效率。我们建议你使用英飞凌新的 8引脚器件ICE1HS01”不管LED照明系统的输出功率有多大，LED驱动器电路的
12、 选择都将在很大程度上取决于输入电压范围、LED串本身的累积电压降、以及足以驱动LED所需的电流。这导致了多种不同 的可行LED驱动器拓扑结构，如降压型、升压型、降压-升压 型和SEPIC型。凌力尔特公司电源产品部产品市场总监TonyArmstrong 指出：“每种拓扑结构都有其优点和缺点，其中，标准降压型 转换器是最简单和最容易实现的方案，升压型和降压-升压型 转换器次之，而SEPIC型转换器则最难实现，这是因为它采用 了复杂的磁性设计原理，而且需要设计者拥有高超的开关模式 电源设计专长。”总而言之，终端产品的应用决定LED的拓扑结构，然后再 根据LED的拓扑结构和输入电源再合理选择Buck
13、、Boost、 SEPIC、或Buck-Boost结构。“一般来说，25W以下选用Buck 的较多。更大功率的则倾向于选择Boost结构。效率的话两者 一般都可以做到85%以上，LT3755可以做到高达97%的效率。 考虑驱动部分BOM成本的时候更应该考虑整体系统成本。”徐 瑞包说，“随着竞争的加剧，时时会有更低BOM成本的方案, 但不一定是最合适的。我们不建议按照这个标准设计产品oPCB 面积主要受主要元件的控制，小功率的LED灯尽量采用集成度 高的方案。大功率的方案要选用技术集成度高的产品，外围电 路简单。此处讨论的都是指DC-DC的解决方案。”梁后权也指出：“为了达到高效率要求，应当考虑
14、采用开 关模式LED驱动器，大多数这类客户更喜欢选择降压LED驱动 器,因为总的效率更高一些。如果从最低BOM成本角度来考虑， 开关型LED转换器不是最便宜的。此类客户可能会试图采用线 性恒流LED驱动器。这可以提供最低的BOM成本，但效率可能 就不会像开关模式LED驱动器那样高。如从最小PCB板面积的 角度考虑，通常将选用开关模式转换器，因为它们产生更少的 热量，甚至相关的元器件体积也将会更小。”模拟、PWM和TRIAC调光方案LED调光解决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未 固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC） 三种调光方案。PWM和模拟方法是其中较简单的，但
15、需要构建 调光基础架构和新的调光控制器。模拟调光方案的缺点是，LED电流的调节范围局限在某个 最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围）。由于LED 的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。PWM调光方案则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100MHz）在零电流和最大LED电流之间进行切换。 该占空比改变了有效平均电流，从而可实现高达3000:1的调 光范围（仅受限于最小占空比）。由于LED电流要么处于最大 值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免在电流变化时发 生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是 很常见的。SangCheolHer则看好TR
16、IAC调光方案的市场前景，他表 示：“可控硅（TRIAC,2线调光）将成为非常流行的解决方案， 因为这种技术可以完全使用传统的系统而不需任何改变。而 且，它还能够扩展为3线调光，以避免出现与低功率因数值相 关的缺陷。”TRIAC调光今天是业内非常热的一个话题，最初，TRIAC 调光器是为白炽灯而设计的，但大多数用户希望相同的TRIAC 调光器也能对替代的LED灯进行调光。梁后权表示：“DiodesZetex目前可为客户提供全部的调光解决方案（包括 PWM、模拟和TRIAC）。例如，ZXLD1362LED驱动器用一个ADJ 引脚来实现模拟和PWM调光，这就为客户带来了很大的设计灵 活性。”不过，郑宗前认为，市场上TRIAC调光器的应用方案应该 只是过渡性的，长远来说，应该会用PWM调光。他说：“主要 的三点决定性因素为:1）用PWM调光从零到最光，都不会有 闪烁的现象。2）性能会更好。因为调光输出功率采用了功率 因数校
