高能效的LED区域照明
安森美半导体资深应用工程经理郑宗前
全球越来越重视节省能源的高能效照明，依国际能源署(IEA)报告指出，全球电力照明约占总发电容量的19%，而最近的新闻报导也逐渐提醒消费者白炽灯的低能效，加强大家对紧凑型节能灯的认识。另外美国能源之星(ENERGY STAR®)也计划为家用和商业照明制定标准。不过在这些新闻中，却忽略了约有70%的照明能源消耗是在家庭场合以外，包括商店、工厂、学校、医院和区域照明的场合；其中区域照明涵盖了如街道照明、停车场以及公园等公共空间的应用。
区域照明不只是提供照明功能，同时也须解决公共安全、运行环境、外观设计和美学、节能、系统可靠度和维护成本。最常见的区域照明源为高压放电(HID)型式，如高压钠灯、金卤灯以及低压钠灯和高压汞灯等。先进的HID灯，例如金卤灯拥有高于80 lm/W的高能效和1万到1万5000小时的合理寿命，以每年使用4,000小时的标准计算，寿命大约在2到4年。但由于更换困难， 在维护时间或是人工成本上都相当昂贵，在隧道或桥梁更是一大问题。另外, 大部分的HID灯都含有汞，因此必须在替换后谨慎处理，避免造成环保问题。
高亮度白光发光二极管(LED)的技术不断进步，为高能效照明应用带来极具潜力的解决方案。高亮度白光LED受欢迎的最重要原因是它的寿命超长和发光效率，当它的亮度维持在70%时, 寿命可达5万个小时，户外区域照明可以达到12年的运行时间，大幅度地降低后续的维护和更换成本。目前已经商业化的高功率白光LED， 每灯可达到80到120流明的光度输出，效率大约在80 lm/W，并预估在2009年整体性能将可以提升一倍，到达每灯管200流明，发光效率则可望达到160 lm/W。作为参考比较，100 W金卤HID灯大约可以产生8,000流明输出, HID灯管的光度输出是全方向，因此在灯光投射路径上会有大量的损失， 但LED则没有这个问题，因为它具有指向性，大约需要110个每封装80 lm的LED才能够取代100 WHID灯管的流明输出，如果2009年的目标达成，这个数字将可以减半。
LED照明可以由一或多个LED阵列搭配，将交流电源转换为LED所使用电流的控制电路组成，因此可以考虑选择包含一串LED和驱动电路的模块化设计, 这个概念的优点是相同的电路设计可以通过在不同照明需求下增加更多的阵列而重复利用。另外，由于在照明源中使用多个阵列，如果有单一LED出现问题，只有一部分的LED停止运作，而整个照明源还是能够提供较低亮度照明输出。LED照明源也必须符合产业和国际谐波标准，在欧盟中，这类产品属于IEC61000-3-2等有关电力线谐波失真(功率因数)的规范， 虽然在美国等地并不使用这个标准，但电力公司也会对不计量的区域照明要求最低0.9的功率因数。
另一个考量则是隔离的安全性，对于不容易更换的区域照明源，事实上非隔离的设计相当常见，非隔离设计的主要优点是以成本较低的电感器来取代笨重的变压器。驱动LED的实际需求考虑也相当重要，虽然LED需要定电流驱动，但这个电流却不一定需要是纯直流，因此也可以以脉波式直流波形来推动，只要平均和最大电流值符合LED本身所指定的电流规范即可。因此，我们可以使用安森美半导体的NCP1216控制芯片搭配上一个高功率MOSFET、一颗电感以及少数外接无源器件，在一个单功率级电路上实现一个简单高能效的PFC和定电流转换器，由于输出通常不需滤除100/120 Hz主电源的频率成份，因此可以不需在电路中使用大型电解电容，这不仅可以缩小电路尺寸，还能改善整体电源的可靠度，以下为相关电路的电路图。
图一：115 Vac, 350 mA配置的电路设计图。
这个电路图显示非隔离转换器电路的最基本实现方式，是一个将交流电源以D1到D4进行整流，接着通过电感器L1、MOSFET -Q1、输出电容C4以及控制器所组成降压转换电路。在这个90到135 Vac输入的特定电路中，由并行电流传感电阻R4、积分电路R6和C6以及光电耦合器所组成的简单反馈网络可以让这个电路以定电流输出模式运作。通常在非隔离式设计中并不需要光电耦合器，但在这里用它来对LED串顶端的电流传感信号进行移位处理，这个电路的特殊实现方式使得它能够提供高功率因数和定电流输出，降压输入电容C2，通常又称为降压电容则必须对输入桥式整流电路上所出现的120 Hz全波整流波形拥有高阻抗，否则功率因数就会如电容式输入滤波器一样出现大幅劣化的情况，这个电容的典型值大约在0.1 μF到0.47 μF的范围，主要依电路的目标输出功率而定。L1的电感值要够低，以便让降压式转换器可以在非连续导电模式下运作，这对电路的高功率因数相当重要。在非连续导电模式中，C4的值也可以相当小，大约在1到5 μF，原因是它只需用来滤除电流波形中的高频开关成份，应该采用低ESR的聚丙烯薄膜电容。
图二：输入电压和电流波形。
Vin = 115 Vac, Vf = 31 V, Iout = 350 nom
图三：功率因数和电流调节相对于LED顺向电压的关系。
Vin = 115 Vac
由以上可以看出，安森美半导体已经开发出了可以用来驱动LED阵列的优化高功率因数单级LED驱动电路，虽然例子中的电路的工作电压是115 Vac， 但是我们可以更改器件的数值来满足230 Vac的应用，驱动LED数量将可以倍增。
在区域照明应用中使用LED阵列已经吸引全球的目光，各地也开始进行多项测试和小数量的导入计划，许多政府组织也了解LED技术的优点，从广泛导入交通号志可见一斑，他们也明白长效寿命的产品并不需要相同的维护成本。例如美国北卡罗来纳州莱礼(Raleigh)市将停车场的140根120 W高压钠光灯以LED照明装置取代，降低能源消耗达40%，同时几乎没有年度维护成本。未来几年我们将可以看到LED应用于更多的区域照明中，特别是只需少量LED的较低功率照明应用以及光度输出可以依应用特定需求进行变化的设计。对这些应用来说，优化驱动电路以符合电力和规范要求，同时也能灵活地满足多变的LED配置，才能达致广泛采用的经济成本目标。
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