大小功率LED照明方案選擇指南

　　LED照明應用的主要設計挑戰包括以下幾個方面：散熱、高效率、低成本、調光無閃爍、大范圍調光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰需要綜合運用適當的電源系統拓撲架構、驅動電路拓撲結構和機械設計才能解決。

　　Diodes公司亞太區技術市場總監梁后權指出：“對設計師來說，最大的技術挑戰將是高效率要求、光學設計、熱管理和提高某些應用的可靠性，如高亮度LED街燈。我們現在提供的一系列LED照明解決方案覆蓋從0.1W到250W的應用。”

　　“在LED照明系統的應用中，除了選擇合適的LED產品，一個完整的LED照明設計還要包括光學設計、熱設計、產品設計和電氣驅動設計。由于LED是低壓器件，因此將高壓交流供電轉換為LED使用的低壓恒流驅動將面臨許多挑戰。”安森美半導體中國區高級應用經理鄭宗前指出：“進一步說，為了保證LED照明的優勢，LED電氣驅動必須是可靠的、高效率的、安全的和低成本的。因此，針對不同的LED照明的應用，首先需要選擇正確的驅動電路拓撲結構。”安森美半導體現可以提供從1W到500W功率范圍內的全部LED照明解決方案。

　　為了快速推動LED照明市場的起飛，美國國家半導體公司(NSC)最近瞄準了一塊非常龐大的白熾燈直接替代市場，即用LED燈直接替代現有家庭或其他應用市場中的白熾燈，并推出了一款針對該市場的直接市電輸入LED驅動芯片LM3445。

　　不過，NSC亞太區電源管理產品市場營銷經理吳志民表示：“白熾燈電燈已面世很多年，對于許多多年未改的技術標準，我們的家居照明系統一直也在沿用許多多年未改的技術標準，這個情況并非一朝一夕可以改變過來。例如，基于散熱及照明角度等問題，原有的舊式電燈插座或裝置并不適宜用來安裝LED燈泡。但除了技術問題之外，成本效益也亦是使LED燈無法普及的最大原因。鎢絲燈泡及霓虹光管的售價約為US$0.6-0.7/Klm，但目前LED燈的售價仍然高達US$40-50/Klm。”

　　正如以上所說，由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內，因此散熱是一個必須克服的大問題。但嚴格來說，這可以利用機械工程技術解決的問題，LED系統生產商的責任是努力開發新技術，盡量提高LED的亮度(即每單位功率產生的流明量)。吳志民自信地說：“我們可以提供功效效率最高的LED驅動器，以確保可將整個燈光系統的散熱量減至最少。”

　　LED的相對高成本是LED照明市場目前仍難以大規模起飛的主要障礙。例如，英飛凌科技有限公司電源管理業務部產品市場總監Alexander Sommer就說：“大多數小于25W的典型LED照明應用是標志燈、標識燈、以及替代標準的白熾燈和鹵素燈。但與現有的熒光燈和白熾燈技術相比，LED初始成本仍然是進入大眾市場的一個主要障礙。”

　　Cytech產品及設計部工程師徐瑞包也認同主要商業化挑戰是成本。他說：“目前各種功率的LED照明系統在電路上都是可以實現的，技術挑戰來自于終端應用的要求，比如應用于汽車，要考慮到光學設計以及整體散熱設計等。商業化部署的挑戰則主要來自于LED成本。”

　　LED照明設計的散熱考慮

　　25W以下的LED照明系統一般設計用于像閱讀臺燈、走廊燈、客廳射燈、家用餐燈、小夜燈等應用，客戶一般希望這類應用設計得越小巧越好，因此其PCB能安放的設計空間相對來說比較小，因此長時間使用時封裝空間內的溫度有可能會很高。由于設計師不太可能在其內安裝一個散熱風扇，因此它的散熱設計就變得非常關鍵和重要。

　　“大多數小于25W的低功率LED照明應用要求一定程度的小型化。這常常導致更高的功率密度，盡管功耗不是很大。足夠的散熱管理措施必須通過改進的機械結構提供。此外，高電氣效率有助于降低功耗。”Alexander Sommer指出，“如果需要進一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到，因為它可以實現最高效率的熱傳遞。這些方法也允許實現優化的流明輸出。”

　　另一種防止LED長時間工作過熱問題的思路是采用調光解決方案。飛兆半導體公司高壓IC產品行銷經理SangCheol Her表示：“相比熒光燈和白熾燈，采用調光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調光控制器來實現。尤其是對于小于25W的LED驅動解決方案，由于PCB尺寸小，而封裝空間有限，散熱問題無可避免，所以該方案更顯重要。”

　　事實上，在這個功率范圍內，LED照明燈將會取代鹵素燈和緊湊型熒光燈(CFL)。此外，先進的技術為了擺脫散熱問題，必須去掉對溫度變化敏感的無源組件如電解電容。然而，目前大多數LED驅動器解決方案都源于電源拓撲并以此為基礎，故應該考慮到溫度范圍的限制，因為一般產品通常基于商業標準，但照明燈卻必須確保能夠適應嚴苛的環境如工業環境。

　　LED照明設計的架構選擇

　　LED照明系統架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說，小于25W的LED照明系統不要求進行功率校正，因此可以采取簡單一些的拓撲架構，如PSR或Buck拓撲。25W-100W的LED照明應用要求進行功率校正，因此一般采用單級PFC、準諧振(QR)PWM或反激式拓撲。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和雙級PFC。

　　“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓撲，因為這一功率范圍主要針對小型設計，強調設計的簡單性。中等功率解決方案(25W-100W)適合于單級PFC、準諧振(QR)PWM、反激式拓撲。”SangCheol Her說，“大功率解決方案(大于100W)則適合采用LLC、QR PWM、反激式拓撲設計。從效率角度來看，LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級反饋，設計簡單，尺寸也比其它方案小。”

　　鄭宗前也表示：“小于25 W的LED燈具主要應用在室內照明，它們主要采用低成本的反激拓撲結構。安森美半導體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內置高壓MOSFET 和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積，提供最大25W的功率輸出(230V AC輸入)。”

　　“對于非隔離型小于25W LED照明應用，如果輸入到輸出轉換比低，那么簡單的降壓轉換器可以是一個低成本和小體積的選擇。在看重效率的隔離型拓撲架構中，使用像英飛凌CoolSET ICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個很好的選擇。”Alexander Sommer說。英飛凌是第一家提供數字準諧振反激控制IC的供應商。

　　25W-100W功率范圍的典型LED照明應用是街道照明(小區道路)和像停車場這樣的公共場所。功率轉換效率、PFC功能的高性價比實現和高顏色品質現在是最重要的三大技術挑戰。例如，在商業照明和街道照明應用中，更長得使用壽命和由此產生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進入障礙。25W到100W的LED照明應用有功率因數的要求，因此需要增加功率因數校正電路。

　　“這種電路可以采用傳統的兩段式結構，即有源非連續模式功率因數校正(PFC)電路加DC-DC PWM變換電路，如安森美的功率因數校正控制器NCP1607，NCP1607的外圍電路非常簡單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示，“對于高效率、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路，它可以同時實現功率因數和隔離的低壓直流輸出，并具有顯著的成本優勢，必將成為中等功率LED照明的主流方案。安森美半導體的NCP1652 為實現單級的PFC電路提供了最優的控制方案。”

　　深圳世強電訊則采用Silicon Labs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現PFC。該公司助理市場經理黃孫峰說：“我們針對家用市電(180V-260V)輸入10W-30W小功率LED照明應用開發出的全數字化LED照明方案，可用軟件控制方式實現高達0.95的PFC值。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標的前提下，還具有更高的靈活性、適應性及可升級性。”該方案采用的LED驅動器MIC3230的最大輸出電流為350mA，最多可驅動12顆1W的LED，能夠很好地滿足室內照明的需求。

　　Alexander Sommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負載范圍內(如調光)具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應用，建議采用帶一個獨立PFC級的準諧振反激式拓撲結構。典型地可實現高達90%的效率。”

　　100W以上應用包括主要道路和高速公路照明(這里需要高達20K流明或以上的亮度、