將LED陣列應用到區(qū)域照明中

全球越來越重視節(jié)省能源的高能效照明，依國際能源署(IEA)報告指出，全球電力照明約占總發(fā)電容量的19%,而最近的新聞報導也逐漸提醒消費者白熾燈的低能效，加強大家對緊湊型節(jié)能燈的認識。另外美國能源之星(ENERGY STAR?)也計劃為家用和商業(yè)照明制定標準。不過在這些新聞中，卻忽略了約有70%的照明能源消耗是在家庭場合以外，包括商店、工廠、學校、醫(yī)院和區(qū)域照明的場合;其中區(qū)域照明涵蓋了如街道照明、停車場以及公園等公共空間的應用。

區(qū)域照明不只是提供照明功能，同時也須解決公共安全、運行環(huán)境、外觀設計和美學、節(jié)能、系統(tǒng)可靠度和維護成本。最常見的區(qū)域照明源為高壓放電(HID)型式，如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進的HID燈，例如金鹵燈擁有高于80 lm/W的高能效和1萬到1萬5000小時的合理壽命，以每年使用4,000小時的標準計算，壽命大約在2到4年。但由于更換困難， 在維護時間或是人工成本上都相當昂貴，在隧道或橋梁更是一大問題。另外，大部分的HID燈都含有汞，因此必須在替換后謹慎處理，避免造成環(huán)保問題。

高亮度白光發(fā)光二極管(LED)的技術不斷進步，為高能效照明應用帶來極具潛力的解決方案。高亮度白光LED受歡迎的最重要原因是它的壽命超長和發(fā)光效率，當它的亮度維持在70%時，壽命可達5萬個小時，戶外區(qū)域照明可以達到12年的運行時間，大幅度地降低后續(xù)的維護和更換成本。目前已經(jīng)商業(yè)化的高功率白光LED, 每燈可達到80到120流明的光度輸出，效率大約在80 lm/W,并預估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達每燈管200流明，發(fā)光效率則可望達到160 lm/W.作為參考比較，100 W金鹵HID燈大約可以產(chǎn)生8,000流明輸出， HID燈管的光度輸出是全方向，因此在燈光投射路徑上會有大量的損失， 但LED則沒有這個問題，因為它具有指向性，大約需要110個每封裝80 lm的LED才能夠取代100 WHID燈管的流明輸出，如果2009年的目標達成，這個數(shù)字將可以減半。

LED照明可以由一或多個LED陣列搭配，將交流電源轉(zhuǎn)換為LED所使用電流的控制電路組成，因此可以考慮選擇包含一串LED和驅(qū)動電路的模塊化設計，這個概念的優(yōu)點是相同的電路設計可以通過在不同照明需求下增加更多的陣列而重復利用。另外，由于在照明源中使用多個陣列，如果有單一LED出現(xiàn)問題，只有一部分的LED停止運作，而整個照明源還是能夠提供較低亮度照明輸出。LED照明源也必須符合產(chǎn)業(yè)和國際諧波標準，在歐盟中，這類產(chǎn)品屬于IEC61000-3-2等有關電力線諧波失真(功率因數(shù))的規(guī)范，雖然在美國等地并不使用這個標準，但電力公司也會對不計量的區(qū)域照明要求最低0.9的功率因數(shù)。

另一個考量則是隔離的安全性，對于不容易更換的區(qū)域照明源，事實上非隔離的設計相當常見，非隔離設計的主要優(yōu)點是以成本較低的電感器來取代笨重的變壓器。驅(qū)動LED的實際需求考慮也相當重要，雖然LED需要定電流驅(qū)動，但這個電流卻不一定需要是純直流，因此也可以以脈波式直流波形來推動，只要平均和最大電流值符合LED本身所指定的電流規(guī)范即可。因此，我們可以使用安森美半導體的NCP1216控制芯片搭配上一個高功率MOSFET、一顆電感以及少數(shù)外接無源器件，在一個單功率級電路上實現(xiàn)一個簡單高能效的PFC和定電流轉(zhuǎn)換器，由于輸出通常不需濾除100/120 Hz主電源的頻率成份，因此可以不需在電路中使用大型電解電容，這不僅可以縮小電路尺寸，還能改善整體電源的可靠度，以下為相關電路的電路圖。

圖一：115 Vac, 350 mA配置的電路設計圖。

這個電路圖顯示非隔離轉(zhuǎn)換器電路的最基本實現(xiàn)方式，是一個將交流電源以D1到D4進行整流，接著通過電感器L1、MOSFET -Q1、輸出電容C4以及控制器所組成降壓轉(zhuǎn)換電路。在這個90到135 Vac輸入的特定電路中，由并行電流傳感電阻R4、積分電路R6和C6以及光電耦合器所組成的簡單反饋網(wǎng)絡可以讓這個電路以定電流輸出模式運作。通常在非隔離式設計中并不需要光電耦合器，但在這里用它來對LED串頂端的電流傳感信號進行移位處理，這個電路的特殊實現(xiàn)方式使得它能夠提供高功率因數(shù)和定電流輸出，降壓輸入電容C2,通常又稱為降壓電容則必須對輸入橋式整流電路上所出現(xiàn)的120 Hz全波整流波形擁有高阻抗，否則功率因數(shù)就會如電容式輸入濾波器一樣出現(xiàn)大幅劣化的情況，這個電容的典型值大約在0.1 霧到0.47 霧的范圍，主要依電路的目標輸出功率而定。L1的插件電感值要夠低，以便讓降壓式轉(zhuǎn)換器可以在非連續(xù)導電模式下運作，這對電路的高功率因數(shù)相當重要。在非連續(xù)導電模式中，C4的值也可以相當小，大約在1到5 霧,原因是它只需用來濾除電流波形中的高頻開關成份，應該采用低ESR的聚丙烯薄膜電容。

圖三：功率因數(shù)和電流調(diào)節(jié)相對于LED順向電壓的關系。

Vin = 115 Vac由以上可以看出，安森美半導體已經(jīng)開發(fā)出了可以用來驅(qū)動LED陣列的優(yōu)化高功率因數(shù)單級LED驅(qū)動電路，雖然例子中的電路的工作電壓是115 Vac, 但是我們可以更改器件的數(shù)值來滿足230 Vac的應用，驅(qū)動LED數(shù)量將可以倍增。

在區(qū)域照明應用中使用LED陣列已經(jīng)吸引全球的目光，各地也開始進行多項測試和小數(shù)量的導入計劃，許多政府組織也了解LED技術的優(yōu)點，從廣泛導入交通號志可見一斑，他們也明白長效壽命的產(chǎn)品并不需要相同的維護成本。例如美國北卡羅來納州萊禮(Raleigh)市將停車場的140根120 W高壓鈉光燈以LED照明裝置取代，降低能源消耗達40%,同時幾乎沒有年度維護成本。未來幾年我們將可以看到LED應用于更多的區(qū)域照明中，特別是只需少量LED的較低功率照明應用以及光度輸出可以依應用特定需求進行變化的設計。對這些應用來說，優(yōu)化驅(qū)動電路以符合電力和規(guī)范要求，同時也能靈活地滿足多變的LED配置，才能達致廣泛采用的經(jīng)濟成本目標。