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智慧LED照明需要创新的管控和调光
 

【作者: James Lee】2018年05月31日 星期四

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照明对於我们的现代生活已不可或缺,无论它是用於居家照明、办公场所、公共建筑、提供安全保障,或只是为了营造气氛。事实上,典型建筑中照明占了25%的能源使用,这使它成为地球上最重要的能源使用之一。加上白炽灯照明解决方案效率极低,能源成本正以惊人的速度增加,我们很容易发现自己正在浪费大量的世界资源,并为此付出惨痛的代价。


因此,各国政府正在寻求透过新的能源效率法规来管控照明,而LED等新技术成为主流,有??节省高达40%用於照明的能源。


然而,随着设计师和消费者开始寻求更高能效且创新的照明方案,因此需要开发更新的技术来满足目前和未来的市场需求。为了最大限度地发挥其潜力,智慧照明需要更复杂和创新的途径。


照明设计师面临的挑战

政府的加强管控与消费者的需求,使得现代照明设计师所面临的挑战越来越大。能源之星和欧盟委员会等机构重视的不仅是电子设备(包含照明)的效能,亦重视待机时的功率损耗,毕竟这可能成为长时间下重要的能源消耗来源。在智慧照明解决方案下,此挑战变得更加棘手,由於电源必须保持「开机」状态,以搜寻控制器发出的讯号,因此不断地吸取电流。目前,能源之星规定允许的待机功耗为0.5W,但加州能源委员会(CEC)等机构计画在2019年之前将这一数字降至0.2W,进一步增加挑战性。


随着照明从白炽灯发展至LED技术,调光方面亦有改变。更为复杂的脉宽调变(Pulse-Width Modulation;PWM)技术正逐渐取代简单的电阻式或基於TRIAC的调光,这使设计师必须采用不同的方法。


LED是一种低电压技术,代表它们无法如同白炽灯一样直接由市电(mains)驱动,而是需要一个电源,根据该LED应用提供??定电压(constant voltage;CV)或??定电流(constant current;CC)供电。电源对照明解决方案的整体性能和效能具有实质性的影响,因此至少需要像LED本身一样接受严格的检验。


目前市场上有许多不同的照明解决方案,功率从几瓦到几百瓦不等。因此,其驱动电源有各式多样的设计方式。在较低功率水准下(通常低於10W),单级(single-stage)转换拓扑是最受欢迎的解决方案。


由於多功能固态照明的应用越来越广泛,因此LED和与之相关的电源所占空间也被挤压的越来越小,这代表效率极为重要,进而使废热(waste heat)的产生降至最低,并且能够在较小且通常密闭的空间中可靠地安装、运行照明解决方案。


LED照明解决方案迅速发展的一个重要原因是LED本身价格的下降。因此,安装人员和消费者不仅希??LED电源可以在更小的空间内实现更优良的性能,也期待看到类似的价格调降(代表设计人员需要减少元件数量,并降低整体BoM成本)。


现代化的照明电源转换方式

25W-100W范围内且适用於办公室、工厂和住宅的照明是快速成长的市场领域之一,其中两级式(two-stage)方法是最常见的解决方案。在许多应用中,都会采用返驰式(Flyback)功率因数校正器(Power Factor Correction;PFC)且配备降压型(Buck)DC-DC转换器形式的电源。


图1 : 两级式转换是中等功率照明解决方案中最常用的方法
图1 : 两级式转换是中等功率照明解决方案中最常用的方法

此方法特别适用於有调光需求的解决方案。它还能够在待机模式下轻松关闭LED,并能够对多个LED串进行简单地控制,以获得更加复杂的照明解决方案。


安森美半导体针对此类应用推出整合解决方案,能够采用两个IC产品和少量外部元件来设计高效能的照明电源。


FL7740是一款单级式CV初级调节回授(primary side regulation;PSR)控制器,可透过内置动态功能(包含快速回应时间)进行CV调节(±3%),能够将线路和负载瞬态(load transient)引起的过冲和下冲最大限度地降低至输出电压的10%以内。



图2 : FL7740是用於照明应用的单级式初级调节回授控制器
图2 : FL7740是用於照明应用的单级式初级调节回授控制器

该控制器支援80V AC至382V AC的通用宽范围交流输入,适用於全球任何地方的市电供电应用。它能够提供高达100W的功率,而在待机模式下的功耗仅为0.15W,轻松超越所有的法规要求。同时,还实现对智慧照明解决方案极其重要的「持续开机」运作。


内置的PFC级在满载时能够达到> 0.9,且THD <10%。在半载的情况下,使用可选的PF最隹化器,而0.9 PF数值保持不变。确保在较宽的负载范围内能够将输入扰动维持在最低水准,使FL7740能够广泛应用。


此先进的控制器包含一系列对於照明系统安全运作关键重要的保护功能:超载保护、输出二极体短路保护、感应电阻短路/开路保护、以及VDD和VS过压保护。


以连续电流模式(Continuous Current Mode;CCM)运行的FL7760降压(Buck)控制器提供第二级转换,该元件可在8V至60V宽电压输入范围内运行,同时支援大范围的类比和PWM调光,且功率损耗仅为150μA。


图3 : FL7760是一款输入范围极宽的降压控制器,具有大范围的调光能力
图3 : FL7760是一款输入范围极宽的降压控制器,具有大范围的调光能力

重要的是,FL7760的PWM调光可涵盖1-100%的全部输出范围,尽管某些运作条件下,由於PWM的工作频率,可能会出现不理想的闪烁和声频噪声,模拟调光范围为5-100%,相较於目前通常仅能达到的15-100%,可视为现有技术的显着提升。一般来说,模拟调光受到青睐是因为它没有PWM的缺陷,而FL7760使其首次成为可行的选择。


低於类比??值5%的调光的明显优势之一,在於FL7760能够将类比和PWM相结合,提供混合调光,无缝结合这两种方式,并且能够提供全范围调光功能,且无闪烁和声频噪声问题。和FL7740一样,FL7760还提供多种保护功能,包含热关机和过流保护。


总结

LED照明凭藉低功耗、多功能性、以及与智慧照明解决方案的内在相容性而日益受到欢迎,因此,设计师对效能的要求也越来越高,特别是针对低待机功率下的运行能力和提供广泛调光范围的能力。


(本文作者James Lee任职於安森美半导体照明行销部门)


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