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LED发光效率迈大步固态照明应用前景光明

发布时间:2020-06-30 18:42:39 阅读: 来源:氧气厂家

随着led发光效率的提升,固态照明发展也更趋蓬勃。为使LED固态照明更具成本效益,业者除要设法提升LED每瓦所产生的流明量,并整合光、机、电、热等各领域专业知识外,亦须采用具高效率、低成本的固态照明驱动器,以打造最佳解决方案。过去10年来,发光二极管(LED)的制造商在提升LED功能上快速进展。业界了解到提升LED效能是固态照明(Solid State Lighting, SSL)特别重要的唯一衡量标准。而现有的解决方案都不具有经济效益,使得LED制造商会特别关注LED每瓦能产生的流明(Lumen)量,甚至是每1块钱所产生的流明量,因此必须整合热能、光学、LED和电子学设计专门知识,以建立最佳的解决方案。 电力电子和集成电路(IC)制造商在交流对直流(AC-DC)和直流对直流(DC-DC)电压管理的拓扑设计已有30年的经验。虽然固态照明光源设计和电压管理应用不同,但技术学习和电力电子制造专家们都已准备就位。市场上早期的固态照明产品,其LED驱动器拓扑一直在改良目前电压的调控方案。交流和直流LED驱动器各有特别的需求,激励产业发展针对固态照明驱动器市场具备高效率、可靠性和成本效益的解决方案。 固态照明主要和次要的光学系统,是须要进行成本与效能优化的另一部分。比起LED与电子产品,次要的光学组件所造成流明的损失极小,但仍有改善的必要,而业界也正持续改进。 减少LED数量以降低成本 为使固态照明灯具能得到最大采用,最终解决方案须比现有光源更具备成本效益,而LED是固态照明解决方案物料清单(BOM)中最贵的组件。因此,固态照明制造商了解最容易降低系统成本的方法是减少系统中LED数量,所以促成了LED制造商发展更高效率、流明度更高的LED。由于电力电子和电源IC是非常成熟的产业,而且其制造过程都经过优化,因此仅能节省极小的成本。 能源之星认证影响很大 美国政府推出“能源之星”的认证标章,旨在保护消费者并确保发行到市场上照明产品的质量。能源之星的基本要求就是终端产品须达到最小流明/瓦(W)。固态照明改良型灯泡更换设计要求流明/瓦的范围在每瓦40~50流明之间。有能源之星认证的实验室可透过产品终端应用之标准化程序指针,测试制造商提交的产品,实验室会检测流明且记录输入功率,可了解产品能否达到能源之星的要求。 为期盼固态照明能获大众采用,LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的进步。其中,光学业界把流明损耗最小化,同时提高产品的光学功能;至于电力电子和IC制造商则一直进行LED驱动器系统的优化,共同致力于固态照明发展。 照明系统设计面临严峻挑战 随着照明制造商慢慢减少系统所需的LED数量,所面临的问题也正逐渐浮现。虽然减少LED数量曾经对销售有帮助,但却也带给业界一个无法预见的技术挑战。此问题是在A19/E27改良型灯泡上市后,才第一次被各界所注意到。 假设当系统里LED数量减少和LED的流明输出增加时,LED驱动器的效率就会提高,或者至少跟过去的设计类似,然而,却无法实现,到底是哪里出问题呢?以下将藉由其规格要求的趋势演进进行说明。 电路功率损耗增加系统稳定性成隐忧 60瓦固态照明白炽灯改良型灯泡要求包括,115VAC(#177;20%)的输入电压、十个LED串联 (31~36伏特)的输出电压、800流明输出、350毫安(mA)LED顺向电流、12.6瓦最大输出功率、 目标功率85%、美国联邦通讯委员会(FCC)等级B、符合UL8750、寿命大于5万小时和系统工作温度50℃。 而现今的趋势是增加LED顺向电流,即更高功率,并减少系统内的LED数量。期望的规格改变包括五个LED串联(15~17伏特)输出电压、700毫安LED顺向电流、800流明输出、11.9瓦最大输出功率及目标效率85%。 虽然输出功率降低且效率参数维持在85%,但仍希望每瓦流明量能更大。而现实中,转换器效率下降非常大,导致每瓦的流明减少,所以须要更为注意的是电路内功率损耗已增加,这带来一些设计和稳定性方面的问题,不仅造成能否符合能源之星认证的疑虑,由于还须要附加散热片或包装材料,因此成本也将随之增加。功率损耗随组件/系统规格变化 能量转换阶段内的损耗可以包括传导、切换与静态损耗三类。LED驱动器内的所有硅装置和被动组件都有电阻,电流通过电阻传导会产生IRMS2#215;R的功率损耗。选用不同质量和类型的组件,如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、二极管及电磁组件,产生的耗损将随系统规格不同而变化。 切换损耗发生在当MOSFET或二极管被开启,其他的MOSFET或二极管却被关闭的过渡时期。由于一个转换器在200kHz频率下工作比在100kHz时的切换损耗多一倍,所以须要评估对操作切换频率间的折衷方案。在较高频率的切换所允许的电感系数比较低,而在特定的规格下传导损耗可能也会较低(较低的RDCR)。此外,静态功率损耗和内部电路的功率也有所关系。 总体来说,类似的LED驱动器设计,也许可以得到一样的输出功率(Pout=Iled#215;Vled-stack),但这取决于系统内的电流、电压以及组件类型;系统的效率也会有很大的不同。 图1为典型的脱机式(AC to Iled)改良型固态照明灯泡电路,其中,各条件的定义及驱动器功率耗损计算方式,描述如下: 图1 关闭线路(AC至ILED)的改良型固态照明灯泡优化电路图D=负载-周期= D,,,,,,,,=(1-D)FSW=切换频率Q4启动时的切换损耗→Q4传导损耗→D4传导损耗是→L3电感器传导损耗→ 现在所有主要功率损耗都已计算出来,可计算出系统总效率。可用以下方程式表示: 看到功率损耗方程式后,可对固态照明应用中的堆栈电压和电流迅速作出的假设,透过降低LED数量并增加系统电流,流明输出就可符合规格要求,但效率可能会降低。因此,应该要进行详细的分析以充分理解设计的折衷和功率损耗,但须分析几点因素,找出系统效率降低的原因。首先包括电感器L3的传导损耗会随着LED顺向电流的增加而增加;其次,如果LED顺向电流增加,飞轮二极管的切换损耗也会增加;第三,相对于MOSFET开启时,在飞轮二极管D4传导时,其经由减少堆栈电压就可增加时间比例,高压(HV)二极管比在MOSFET传导损耗更大,因此,系统中的电力损耗会增加;第四,在增加LED电流的情况下,主开关MOSFET Q4上的传导损耗会增加。 规格、成本还有功能皆是达到成功设计的关键,而这些都须从系统层级来因应。业界正研发兼具功率和成本效益的LED驱动解决方案,包括LED堆栈电压(和输入电压关系极小的设计)。因此,固态照明系统设计发展已出现明确的方向。 已有业者分析过很多实验室里不同驱动的配置后,得知较高的顺向电流、较少的LED数量导致客户在申请能源之星认证标章时,增加很多的困难。LED制造商知道只关心单颗LED效率是片面且不够的,必须了解LED在市场上如何被使用,从而配置好LED来协助达到具体固态照明解决方案的优化才是上策。而用在改良型A19/PAR灯泡上的LED,与应用在街灯上及MR16上的LED大相径庭,经由和不同领域的专业设计团队合作,LED制造商已为终端应用开发出一些特定的LED。从系统层级考虑设计LED应用效能大跃进 LED制造商已开始开发LED应用的特定产品。其中科锐(Cree)推出的MX-6S LED是从旧型MX-6 LED进行重新配置,此专用LED的优点已在改良型灯泡应用中得到认可。 原来的MX-6 LED在一个模块里有六个平行的LED灯源,每个LED都产生150毫安,总电流高达1,000毫安,此LED的顺向电压为3.2~3.6伏特。 而MX-6S LED内的两个封装LED是串联在一

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