（微电子学与固体电子学专业论文）基于led照明的可控硅调光兼容性研究.pdf

摘要 照明是能源消耗的重要组成部分。大功率l e d 照明作为一种新型的绿色光 源产品，正以相对于传统照明的诸多优势吸引着世人的目光。然而对l e d 进行 可控硅调光时会带来诸多方面的问题，其中最为突出的是音频噪音与闪烁。国 内行业对调光技术以及带来的相关问题研究甚少。 本文基于可控硅调光原理，深入分析l e d 可控硅调光时音频噪音的产生机 制，提出解决方案并得以验证。首先，本文采用电解电容替换具有压电效应的 陶瓷电容以及对驱动电路采取灌胶工艺，大幅降低音频噪音水平。其次，高频 信号导致磁性元器件产生噪音。本文一定程度内增加主回路的阻抗，有效减小 可控硅调光器导通瞬间的冲击电流，减小电感振荡尺度，降低音频噪音水平。 回路电流在调光过程中产生强烈振荡，导致可控硅维持电流不足，引起可 控硅的周期性关断，导致l e d 闪烁。首先，本文引入有源阻尼电路，不仅消除 上述情况，且不影响l e d 在不调光时的性能参数。其次，在出现轻载或者深度 调光时，输入电压和电流均较小，本文引入泄放回路，补偿回路电流，保证可 控硅维持导通，消除l e d 闪烁。 以上解决方案均通过l t s p i c , e 模拟仿真和实物验证。本文的结果具有普遍意 义，可以应用于所有基于可控硅调光平台开发出的l e d 照明产品。 关键词：l e d 可控硅调光、音频噪音、压电效应、闪烁、泄放回路、l t s p i c e a b s t r a c t l i g h t i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a san e wt y p eo fg r e e n l i g h ts o u r c e ，h i g hp o w e rl e dl i g h t i n gi sa t t r a c t i n gt h ew o r l d sa t t e n t i o nw i t hm a n y a d v a n t a g e st ot h et r a d i t i o n a ll i g h t i n g b u tl e dd i m m i n gu s i n gt r l ch a sb r o u g h t m a n yp r o b l e m s ，t h em o s tp r o m i n e n to fw h i c hi sa u d i b l en o i s ea n df l i c k e r l i t t l e r e s e a r c hh a sb e e nm a d eb yt h ed o m e s t i cl e di n d u s t r y0 1 1t h ed i m m i n gt e c h n o l o g y a n dt h ep r o b l e m sc a u s e db yl e dt r i a c d i m m i n g b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft r _ l 蛇d i m m i n g t h ed e p t ha n a l y s i so nt h eg e n e r a t i o n m e c h a n i s mo ft h ea u d i b l en o i s ei nt h el e dt r i a cd i m m i n gh a v eb e e nm a d ei nt h i s p a p e ra n dt h es o l u t i o n sh a v eb e e np r o p o s e da n dv e r i f i e d r e p l a c i n gt h ec e r a m i c c a p a c i t o r sw i t hp i e z o - e l e c t r i ce f f e c tu s i n ge l e c t r o l y t i cc a p a c i t o ra n dp o t t i n gt h ed r i v e r c a nr e d u c eg r e a t l yt h ea u d i b l en o i s el e v e l s e c o n d l y , b e c a u s eo ft h eh i g hf r e q u e n c y s i g n a l ，t h em a g n e t i cc o m p o n e n t se n g e n d e ra u d i b l en o i s e i n c r e a s i n gt h ei m p e d a n c ei n t l a em a i nl o o pt os o r t i ee x t e n tc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n r u s hc u r r e n tw h e ns c ri s i nt h ec o n d u c t i o nm o m e n t ，a n dd e c r e a s et h ei n d u c t a n c eo s c i l l a t i o ns c a l et or e d u c e a u d i b l en o i s el e v e l s t r o n go s c i l l a t i o ni sc a u s e di nt h el o o pc u r r e n tw h e nd i m i n g t h ep r o b l e mt h a t t h ec u r r e n ti sl o w e rt h a nt h em a i n t a i n i n gc u r r e n to fs c ri sa p p e a r e dp e r i o d i c a l l y , w h i c hc a u s e ss c rw o u l ds h u t0 仃p e r i o d i e a u ya n dl e a dt ol e df l i c k e r a c t i v e d a m p i n gc i r c u i tc a l ln o to n l ye l i m i n a t et h ea b o v ei s s u e a n dd o n t i n f l u e n c et h e r , e r f o r m a n e eo fl e dl a m p sw i t h o u td i m m i n g w h e nt h el i g h tl o a do rd e p t hd i m m i n g o c c u r r e d ，t h ec u r r e n ti ss m a l l b l e e d e rc i r c u i tc 8 1 1 1c o m p e n s a t et h e1 0 0 pc u r r e n ta n d e l l s l l t r t js c rm a i n t a i ni t sc o n d u c t i o nt oe l i m i n a t el e df l i c k e r 灿lt h es o l u t i o n sa b o v eh a v ep a s s e dt h es i m u l a t i o nb a s e d0 1 1t h el t s p i c ea n dt h e p h y s i c a lv e r i f i c a t i o n n er e s u l t so ft h i sp a p e ro w l lu n i v e r s a ls i g n i f i c a n c e ，w h i c hc a l l b ea p p l i e di nt h ea l lt h el e dl i g h t i n gp r o d u c t sb a s e d0 1 1t h et r i a cd i m m i n g p l a t f o r m k e yw o r d s ：l e dt r i a cd i m m i n g ，a u d i b l en o i s e ，p i e z o - e l e e l r i ee f f e c t , f l i c k e r , b l e e d e rc i r c u i t l t s p i e e 学位论文的主要创新点 一、对传统用薄膜电容替换陶瓷电容的方式进行改进，本文采用电解 电容替换陶瓷电容，摒除陶瓷电容逆压电效应；同时增加回路阻抗， 减小回路冲击电流，减小磁性元件振荡尺寸；以及对驱动电路灌胶， 解决了l e d 调光时的音频噪音问题。 二、对传统的l e d 驱动电路进行了引入有源阻尼电路的改进，减小回 路电流振荡；并引入一种新型泄放回路，补偿回路电流，保证可控硅 在轻载时或可控硅导通角较小时维持导通，解决了l e d 调光时的闪烁 问题，且不影响l e d 在不调光时的电性能参数。 第一章绪论 第一章绪论 在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，如何节约能源是未来面临的重 要的问题。在照明领域，传统的照明技术存在耗电量大、发光效率低( 一般白 炽灯发光效率2 0 左右，普通节能灯4 0 - - 5 0 左右) 、使用寿命短、光线中含 有大量的紫外线、红外线辐射等缺斛培】。普通节能灯存在含有大量的汞和铅等 重金属，无法全部回收造成环境污染等问题。现代生产和生活的发展迫切需要 一种高效节能、无污染的绿色照明技术取代传统照明技术。近年来，随着材料 和生产工艺水平的改进【3 ，4 】，大功率l e d 照明作为一种新型的绿色光源产品， 正以诸多优势满足这一要求，吸引着世人的目光，将带领人类步入新型照明光 源时代。各个国家出台了一系列促进l e d 照明普及的政策。 1 1l e d 照明简介 l e d ( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ) 即发光二极管，实质上是一种半导体p n 结，它是一种半导体固体发光器件。它多是利用g a n 、a 1 g a a s 等宽带隙、 v 族化合物半导体材料制成，在p n 结中通过载流子发生复合放出过剩的能量 而引起光子发射，直接发出各频段对应颜色的光【5 1 。在正向导通后，l e d 正向 导通电流斥和正向电压咋的关系可近似用典型的p n 结电流公式表示如下： i f = l s 秽f m - 1 ) 且二者关系呈典型的指数型变化曲线，如图1 1 所示。 图1 - 1c r e e 公司x l a m p 7 0 9 0 x r - e 的伏安特性曲线 l e d 伏安特性的数学模型可以表示为 天津工业大学硕士学位论文 珞= k + 玛厶+ 等( t - 2 5 0 0 ( 1 - 2 ) x i 其中，是l e d 的启动电压，r s 表示伏安曲线的斜率，斥表示l e d 的正 向电流，t 是环境温度，v f a t 是l e d 正向电压的温度系数，对于大多数 l e d 而言，它的典型值为2 v c t 5 1 。 从l e d 的伏安曲线及其数学模型看，l e d 在正向导通后其正向电压的细 小变动会引起l e d 电流的很大变化，环境温度、l e d 老化时间等因素也会影 响l e d 的电气性能，并且l e d 的光输出与l e d 电流直接相关，所以l e d 驱 动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制l e d 电流 的大小恒定不变。否则，l e d 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 大功率l e d 是指其功率大于等于1 w 的单个l e d 器件，一般用于照明， 而1 w 以下小功率一般用于指示灯或者是装饰用【6 】。l e d 照明产品是利用大功 率l e d 作为光源制造出来的照明器具。随着技术的发展，l e d 灯的光效也在 迅速增长，l e d 照明产品备受青睐，被称为第四代照明光源。这种新型的照明 光源具有以下特点t t , 9 1 ： ( 1 ) 高节能：l e d 发光效率高。白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 - - - 2 4 1 m w ，荧 光灯的光效为5 0 - 7 0l m w ，钠灯的光效为9 0 - - 1 4 0l m w ，大部分的耗电转换成 热损耗。l e d 的光效经改良后可达至t 5 0 , - - 2 0 0l m w ，并且光的单色性好、光谱窄， 无需过滤可直接发出有色可见光，相同照明效果比传统光源节能8 0 以上。 ( 2 ) 寿命长：l e d 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度机械 冲击和震动，不易破碎。l e d 的平均寿命达l o 万小时，是普通灯管的数十倍。l e d 灯具的使用寿命可达5 1 0 年，大大降低灯具的维护费用。 ( 3 ) 利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量， 也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可 以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 ( 4 ) 响应快：l e d 的响应时间在l o 击一1 0 7 s 范围内，一般l e d 灯具为几个毫秒， 而现在常用的普通光源响应时间为2 0 0 毫秒。可在高频条件下使用，如用于光电 耦合电路。用于汽车的刹车灯或状态灯，可以缩短车后车辆的刹车时间，预防追 尾，提高安全性。 虽然大功率l e d 照明有以上的诸多优势，但是要实现其全面普及，还需要解 决一些技术性的瓶颈问题。比如： ( 1 ) 光提取效率低。虽然l e d 的电光转化效率高，但传统的正装结构l e d 的光提取效率只有百分之几，严重影响l e d 的光输出功率； ( 2 ) 散热问题。散热不良会导致芯片结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄， 第一章绪论 从而造成l e d 的加速光衰，降低l e d 的寿命，甚至失效。 ( 3 ) 价格较高。这是限制l e d 照明普及的主要原因，2 0 1 0 年，l e d 照明平 均每1 美元约可获得1 0 0 1 5 0 1 m ，而美国能源部d o e 要求每l 美元可得1 0 0 0 1 m 。 但是诸多新技术以及应用到了解决上述问题上，如生长高质量的外延片、采 用倒装焊封装结构【9 1 、设计新型的芯片结构、利用表面粗糙技术等技术手段。为 l e d 在照明领域的普及提供有利条件。 1 2 我国l e d 照明现状 由于l e d 在照明方面的发展潜力，一些发达国家与地区对l e d 的发展制定了 国家级的发展计划。日本早在1 9 9 8 年开始实施“2 l 世纪光计划”，希望至1 j 2 0 2 0 年取代5 0 的白炽灯及全部荧光灯1 1 0 1 。美国也投入5 亿美元巨资，启动“下一代 照明光源计划”，旨在未来4 0 0 亿美元的照明市场的竞争中能领先日本、欧洲与 韩国，计划n 2 0 2 0 年使用l e d 的发光效率达至1 2 0 0 1 m w 。预计到2 0 1 2 年，美国将 有5 5 的白炽灯和荧光灯被l e d 所替代。此外，韩国、西欧与台湾都在积极地实 施l e d 照明策略。 在国内，不论是国家还是地方政府，都针对l e d 照明纷纷出台了各种扶持 政策或者指导意见。例如，科技部于2 0 0 9 年4 月出台了“十城万盏”试点推广活 动。2 0 0 9 年l o 月，国家发改委等6 部门又出台了半导体照明节能产业发展意 见。2 0 1 1 年5 月，发改委正在组织编制半导体照明产业的“十二五”规划，正会 同有关部门研究考虑将l e d 纳入“绿色照明工程中，并有望在年内将部分l e d 产品率先纳入，这意味着半导体照明产品将享受到财政补贴。在积极的政策条件 下，国内l e d 产业建立了一些战略优势，比如：( 1 ) 市场进入门槛较低；( 2 ) 国内部分优势企业己具备核心专利技术；( 3 ) l e d 中下游产业具有人力成本优势； ( 4 ) 产业集群效应初步形成；( 5 ) 产业政策支持产品发展前景广阔；( 6 ) 国内 下游应用领域市场容量巨大产品具有发展潜力【1 0 1 。 但是，与跨国企业相比，中国l e d 企业在诸多方面还存在很大的差距。 ( 一) 国内企业普遍规模小 目前，在从事l e d 照明灯具产品生产的企业中，高端产品仍然以国外厂商 为主【l l 】。而国内l e d 灯具生产企业，普遍存在规模小、技术实力弱、产品档次 低的现状。从区域分布来看，国内照明生产企业主要分布在珠江三角洲和长江 三角洲地区。 ( 二) 技术受限高端客户少 我国高光效、高可靠的l e d 应用产品几乎全部依赖于进口的高档外延芯 天津工业大学硕士学位论文 片，我国的l e d 外延芯片生产近年虽有很大发展和进步，但仍停留在中低档水 平。高性能l e d 芯片和功率型l e d 芯片，仍需要大量进口，这严重地制约了 国内整个l e d 产业的发展。 ( 三) l e d 上游产品制造基础薄弱 l e d 的生产过程包括单晶生长和外延生长、芯片制造和封装。一般将单晶 生长和外延生长视为l e d 产业的上游，芯片制造为中游，封装以及应用为下游。 产业链的上游具有技术和资本密集的特点，下游的进入门槛相对较低。从产业 链上看，我国在l e d 衬底、外延、芯片环节比较薄弱【1 2 】。 ( 四) 核心专利缺乏限制产业国际化战略发展 国内核心专利缺乏，特别在关系到产业长远发展的蓝光核心专利及白光专 利缺乏，这将使国内产业的长期发展受制。中国本土企业现阶段主要还是处于 起步阶段，企业规模较小，对掌握专利的大厂不构成威胁，专利问题还不是很 突出。但是随着国内企业的发展壮大，一旦规模扩大到一定程度，实施“走出 去”发展战略，专利问题将成为隐患【1 3 】。 1 3 l e d 调光技术的研究意义 目前，公共照明用电占整个照明领域三分之一，高达1 0 0 0 亿度。在国内， 城市一般从傍晚5 ：3 0 或6 ：0 0 开始亮灯，然而小型城市在夜晚9 点后、大中城市 在午夜1 2 点后，道路上路人稀少，即使在北京、上海及广州等繁华的都市，凌 晨2 、3 点之后，道路上也罕见行人和车辆。从这一段时间开始至清晨6 点路灯 熄灭，在低交通流量的道路上仍保持较高的照度显然没有十分的必要。若能采 用调光技术，使得l e d 路灯的输出功率在午夜1 2 点后随着交通流量的减少而 降低至一半，将节约用电高达5 0 0 亿度，相当于节约了2 0 0 9 年三峡电站全年发 电量的大约八分之五( - - 峡电站2 0 0 9 年发电7 9 8 5 亿千瓦时) ，节能效果非常 显著。 采用调光技术，降低输出功率，将显著改善l e d 灯具的工作环境，延长灯 具寿命。影响l e d 灯具可靠性的关键因素是温度，无论是l e d 驱动电源还是 l e d 芯片，环境温度越高，其寿命和可靠性会急剧下降。图1 2 为l e d 驱动电 源寿命与温度关系，当环境温度为2 5 ( 2 时l e d 电源寿命高达3 2 0 ，0 0 0 小时，而 当温度上升至6 0 。c 时，l e d 电源的寿命将缩短至只有3 5 0 0 0 小时【1 4 】。 第一章绪论 图i - 2l e d 驱动电源寿命与温度关系 由此可见，可调光是未来l e d 照明的发展趋势。如何在合适的时间，合适 的场合，利用调光技术对l e d 进行调光控制，从节能变为更节能，让l e d 的 节能效果达到极致，这将是l e d 照明的终极目标。 大功率l e d 照明产品的普及，在很大程度上依赖新的l e d 照明产品对现 有照明产品的直接替换，而不更改布线和调光器的等其他控制设施。目前市面 上l e d 调光的方式主要有三种：一是线性调光，二是p w m 调光，三是可控硅 调光。其中可控硅调光占了调光器市场9 0 的份额，并且线性调光和p w m 调 光在家用以及商业应用上都存在无法替换性改造现有灯具的问题。相反，对于 可控硅调光而言，可以直接替换是其最大的优势。但是，由于l e d 驱动电源的 存在，调光过程中可能出现音频噪音、频闪、稳定性差、负载过热等问题。本 文将重点讨论音频噪音和频闪问题，并提出一些可靠的解决方案。 1 4 本文研究动机及主要工作 市面上市场占有率最高的家居、宾馆等室内照明的可控硅调光器最初都是 通过可控硅的开关作用控制电力向白炽灯输送。可控硅调光器实际上通过一个 可控硅控制加载到灯泡上的电压有效值，从而改变灯泡的亮度。然而l e d 驱动 器不是纯阻性负载，在配合可控硅调光器的使用时，通常有诸多问题出现。如 果l e d 驱动电源不具备调光功能，那么此l e d 不能进行调光使用。只有l e d 驱动电源具有调光功能，才能被调光器进行调光。但是l e d 在调光过程中会产 生负面效应，包括： ( 1 ) l e d 灯发出可听见的音频噪音，影响环境； 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) l e d 灯的闪烁，影响视觉效果并且伤害眼睛； ( 3 ) l e d 不能完全被关闭，当调光器关闭时，l e d 依然发光，即使亮 度很低： ( 4 )在调光器导通瞬间，大量的冲击电流可能损害l e d 驱动电源，减 小l e d 灯的整灯寿命。 当前，l e d 照明处于快速发展的时期，除了成本以外，在实际应用中还可 能面临诸多其他的问题，包含可预见与不可预见的两种类型。这是任何一种新 鲜事物从出现、到发展、再到成熟，所必然要经历的。问题的出现定当带来科 学的研究，合适的解决方案是快速稳定发展的催化剂。面对问题，最重要的是 找到这种合适的解决方案。本文就是以p h i l i p sl e d 照明产品“p fg u l 04 3 5 w d i m m a b l e ”在可控硅调光时出现音频噪音以及闪烁现象为研究对象，寻求一种 有效的、合适的、实际的解决方案。 本论文重点介绍了大功率l e d 照明的特点、调光技术及其分类、控硅调光 的原理及其带来的问题以及音频噪音问题产生的机制等等。具体而言，本论文 由以下几个部分组成： 本论文由以下几个部分组成： 第一章：绪论。主要介绍大功率l e d 特点，分析大功率l e d 照明的发展现状， 简要阐述可调光技术研究的意义。 第二章：p h i l i p sg u l 0 灯具介绍。包括所用的i c ，整体解决方案，以及本课 题的研究内容。 第三章：调光技术。分析调光技术的必要性，阐述调光技术的分类以及各自 优缺点，重点介绍可控硅调光原理。 第四章：调光时的音频噪音。深入分析l e d 在可控硅调光时产生音频噪音的 机制，提出合适的解决方案，进行l t s p i c e 仿真，实物电路设计及验证。 第五章：调光时的闪烁。深入分析l e d 在可控硅调光时出现闪烁问题的机制， 提出合适的解决方案，进行l t s p i c e 仿真、验证。 第六章：总结。总结本课题所完成的工作，对后续工作进行展望。 第二章g u i o 灯具介绍 第二章g u i o 灯具介绍 可控硅调光l e d 电源技术是未来l e d 照明代替白炽灯的技术瓶颈。目前， 全球各大半导体厂商和专业电源制造商都在积极投入研发，并推出了部分用于 可控硅调光的专用i c 芯片，以迎接l e d 照明替代白炽灯时代的到来。 已率先推出适合可控硅调光的专用l e d 驱动i c 的n x p 、n a t i o n a ls c m i c o n d u c t o r 和a t t 半导体厂商，在这个技术领域起到了很好的技术推动作用。其 中包括n x p 的芯片s s l 2 1 0 1 和s s l 2 1 0 2 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的芯片l m 3 4 4 5 和i w a t t 的芯片1 w 3 6 1 0 。三家厂商的设计思路都都体现了一个l e d 替代传 统照明的根本原则：简单，稳定，有一定的通用性。技术上，主要是遵循了要 让可控硅调光器保持导通，再进行p w m 变换的原则，并增加了变频控制和q r 方式，以达到人眼适合的指数调光和高效率的目的。 2 1 s s l 2 10 1 简介 s s l 2 1 0 1 与当今照明基础设施完全兼容，可以直接采用整流市电电源并结 合相位调光器工作。采用s 0 1 6 封装的多芯片模组，p i n 脚如图2 1 所示。内部 含有高压电源开关，可以直接从整流市电电压启动，因而无需外部启动电路。 为支持调光能力，s s l 2 1 0 1 包含两个集成高压开关用于分压器操作，以及一个 输入，用于感测实时灯具功率，并在需要时激活附加分压器工作。 o r 燃 g 帕 g 岫 锄 s o 峨泛 图2 - 1n x ps s l 2 1 0 1p i n 脚图 一 一 峨 锹 雌 姒慧 一 敝 配 鲥黜 天津工业大学硕士学位论文 s s l 2 1 0 1 能在一块芯片上提供非隔离与隔离解决方案。它有一个附加输入， 可以用来检测电感元件的退磁，确保磁性材料得到充分利用，防止电流硬开关。 该器件的内置电路可以用来降低电容性接通损耗，优化谷底开关效率，使 s s l 2 1 0 1 在低功率水平时能进行高效功率转换。s s l 2 1 0 1 使用接通时间模式和 频率模式来控制l e d 亮度。频率变化控制与接通时间控制二者相结合，产生与 白炽灯相似的调光曲线。并且集成b l e e d e r 开关和比较器，这可减少元器件数量 和尺寸。 这款i c 通过散热增强封装和内置过温保护功能( o t p ) 提供可靠且安全的 散热解决方案。它还具有短绕组保护( s w p ) 和过流保护( o t p ) 功能【1 5 1 ，符 合有关安全与功率因数的法规要求。s s l 2 1 0 1 可以驱动各种具有不同电源要求 的照明系统，包括l e d 改型灯具、l e d 模块、l e d 聚光灯、射灯以及用于商 店展示的l e d 灯串。 2 2p hiiip s 可调光l e d g u l0 p h i l i p sl e d 可调光产品g u l 0 是m a t e r 系列中的一款射灯，与传统卤素灯 g u l 0 的外形对比如图2 - 2 ( a ) 所示【1 6 1 。 麟 警管 ( a ) 传统的卤素灯g u l 0 ( b ) p h i l i p sl e dg u l 0 图2 2g u l 0 灯具 此产品采用的是s s l 2 1 0 1 解决方案，原理图如2 3 所示。具有兼容市电可 控硅调光功能。整灯输入功能为4 w ，可替代3 5 w 卤素灯。 第二章g u l 0 灯具介绍 图2 3 基于s s l 2 1 0 l 的( m l o 解决方案 下表2 - 1 给出了上述两款g u l 0 的偿付对比，可以看出相对于传统的卤素 灯g u l 0 ，p h i l i p sl e dg u l 0 每年可以节省2 3 4 欧元，偿付时间为l o 个月。从 时间来看，l e dg u l 0 在1 0 个月偿付时间完成后，便开始体现可观的费用节省。 表2 1l e dg u l 0 与卤素灯的偿付对比 项目传统卤素灯3 5 wg u l 0m r l 6l e d m = v 禾3 5 w g u l 0 整灯寿命( 小时) 2 0 0 02 5 0 0 0 使用年限( 年) o 5 4 86 8 5 每年耗电成本 2 l2 4 每年的替换成本 6o 4 8 每个灯的初始成本 1 22 0 总成本 2 0 03 9 7 2 8 每年成本 2 9 25 8 每年节省 2 3 4 偿付时间1 0 个月 天津工业大学硕士学位论文 2 3 课题简介 当前，l e d 照明处于快速发展时期，除了成本以外，在实际应用还可能面 临诸多其他的问题，包含着可预见与不可预见的两种类型。p h i l i p s 可调光l e d “p fg u l 04 3 5 wd i m m a b l e 是p h i l i p s2 0 1 0 年面向欧美地区推出的替换传统 3 5 w 卤素灯g u l 0 的l e d 照明产品。大量应用于酒店大堂、超市、商场等公共 场合。此产品在投放市场初期出现了一个问题：在安装有可控硅调光器的公共 场合中，换上此款l e dg u l 0 产品后，在调光到一定亮度时，会有音频噪音出 现，人耳可听见，处于环境的人群会受到音频噪音的影响，出现了一定程度的 噪声污染。 为保护人群健康和生存环境，环境噪音标准得以制定，以保护人的听力、 睡眠休息、交谈思考为依据，具有先进性、科学性和现实性。环境噪声基本标 准是环境噪声标准的基本依据。各国大都参照国际标准化组织( i s o ) 推荐的基 数( 例如睡眠3 0 分贝) ，并根据本国和地方的具体情况而制定。不同地区的 户外噪声标准或不同使用要求的室内噪声标准，都是环境标准的一种。制定这 类标准的目的是控制噪声对人的影响，为合理采用噪声控制技术和实施噪声控 制立法提供依据【i7 。 较强的噪声对人的生理与心理会产生不良影响。在日常工作和生活环境中， 噪声主要造成听力损失，干扰谈话、思考、休息和睡眠。根据国际标准化组织 ( i s o ) 的调查，在噪声级8 5 分贝和9 0 分贝的环境中工作3 0 年，耳聋的可能 性分别为8 和1 8 。在噪声级7 0 分贝的环境中，谈话就感到困难。对工厂周 围居民的调查结果认为，干扰睡眠、休息的噪声级阈值，白天为5 0 分贝，夜间 为4 5 分贝。美国环境保护局( e p a ) 于1 9 7 5 年提出了保护健康和安宁的噪声 标准。近年来，中国以保护听力基本标准为依据，考虑到中国工业经济的现状 制定了的工业企业噪声卫生标准。提出了环境噪声容许范围：夜间( 2 2 时 至次日6 时) 噪声不得超过3 0 分贝，白天( 6 时至2 2 时) 不得超过4 0 分贝。 夜间( 2 2 时至次日6 时) 噪声不得超过3 0 分贝，白天( 6 时至2 2 时) 不得超 过4 0 分贝u 引。 g u l 0 射灯主要是用于酒店大堂、超市和商场等公共场合。以现有世界上 两种l e d 照明产品的噪音标准为依据，其一，宜家标准：人耳距l e d 灯具l e n a 处，噪音水平低于3 5 d b ；其二，美国能源之星标准：人耳距l e d 灯具4 5 c m 处， 噪音水平低于2 5 d b 。由于“p fg u l 04 3 5 wd i m m a b l e ”投放欧洲市场，所以 本文以宜家标准为解决方案的目标。实际产品必然受到除电学参数以外的其它 诸多方面的限制，包括机械结构尺寸，散热水平等等。本论文将提出的解决方 第二章g u l 0 灯具介绍 案，都是考虑了装配、散热、成本等其它因素的限制，“p fg u l 04 3 5 w d i m m a b l e ”的噪音问题最终实施方案只取其中一部分。 由于在l e d 照明出现之前，可控硅调光器是用于对白炽灯和卤化物灯两种 传统照明灯具进行调光，上述两种传统照明灯具都是阻性负载，电流波形对电 压波形有很好的跟随性。以开关电源为拓扑的l e d 驱动电路是非线性负载，电 流不仅不再跟随电压波形，而且在调光过程中通常会产生强烈的振荡。由于可 控硅自身的特性，当维持电流不足的情况周期性出现时，便会引起可控硅的周 期性关断，导致l e d 闪烁。影响人们的视觉效果，并对眼睛造成伤害。“p fg u l 0 4 3 5 wd i m m a b l e ”在使用个别调光器进行组调光时，会出现闪烁的情况。本文 将详细分析导致l e d 闪烁的各种原因，并提出有效的解决方案。 天津工业大学硕士学位论文 第三章调光技术 第三章调光技术 作为一种光源，调光尤为重要。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环 境，而且在大力提倡节能减排的今天，减少不必要的电光线，以进一步实现节 能减排。在合适的时间及场合，利用调光技术对l e d 进行调光控制，从节能变 为更节能、更环保、更人性化。 3 1 调光的必要性 灯光是人为照明，在夜晚或自然光不足的场合提供足够的照度。但是灯光 消耗电力，在不需要时关掉灯光可以节约能源。不过在有些时段和情况，如果 可以把灯光调到较暗的程度( 2 5 5 0 ) ，也是可以大幅降低能源消耗的( 5 0 - - 7 5 ) 1 1 9 。许多公用建筑或场所，如机场、车站、码头、停车场、街道、公园、 百货商场、学校、医院、病房、工厂，在夜晚不宜把灯光全部关掉，否则有行 动不方便或治安的顾虑。办公大楼的大厅、厕所、走廊、楼梯间等场所，在下 班后维持适度的照明，可以方便加班工作的员工，并避免治安的死角。 2 4 小 时营业的便利商店、加油站、旅馆等，也可以在深夜生意较清淡时，把灯光调 暗一部分，以节省电费。 节能性和人性化是照明调光控制所具有的最大优势。调光是指通过调节特 殊的电器装置，改变照明产品中光源的光通量，实现调节照度水平的一种照明 控制，其中这种电器装置被称为调光器。广泛应用于家庭照明、剧场舞台、酒 店、场馆展厅等场合。通过对照明产品进行调光可以实现： ( 1 ) 降低照明等级来节省能源和增长灯具的寿命； ( 2 ) 使房间的气氛多样化； ( 3 ) 改变灯光的强度来达到配合相应的活动调光能提升节能效果。 在大力宣扬节能减排的背景下，照明节能被人们作为实现其目的重要领域。 数据显示，2 0 1 0 年年底，全国2 7 万亿千瓦时用电量中，照明用电量已超过3 0 0 0 亿千瓦时，占到全国总用电量约1 2 ，而这个数据是2 0 0 8 年的两倍，并以每年 3 0 的速度继续增长。当前，日光灯和节能灯在国内市场拥有较大占有率，大 多数安装在办公室、商场、工厂。据工信部统计，我国2 0 0 8 年荧光灯的生产量 超过4 0 亿支，其中出口就高达3 8 6 亿支。而据中国照明协会统计，国内每年 消耗荧光灯数量大约为4 亿支。假定中国荧光灯的实际使用量为1 0 亿支，每支 天津工业大学硕士学位论文 每天平均开灯4 小时，每支平均功率2 5 w ( 1 2 米t 8 荧光灯额定功率为3 6 w ) ， 每天耗电o 1 度，每年耗电3 6 5 度。除去节假日为3 0 度，总耗电量是3 0 0 亿度。 如果用l e d 灯管替代当前所有荧光灯( 包括日光灯和节能灯) ，综合节能比例 为5 0 ，总耗电量1 5 0 亿度。若再采用调光可以至少再节能1 0 ，即1 5 亿度。 按每度电0 7 元计算，即节约1 0 5 亿元。 目前l e d 照明主要应用于公共场所、智能楼字、交通设施中，并逐渐被人 们重视，对于l e d 调光的需求也越来越广阔。人们已经意识到，仅仅更换节能 照明产品，并不能达到真正意义上的节能，而对照明的调光控制，才能达到最 大化的节能增效。由此可见，在合适的时间，合适的场合，对l e d 进行调光控 制，从节能变为更节能，让l e d 的节能效果达到极致，这将是l e d 照明的终 极目标。所以大力发展可节能调光的l e d 照明产品是l e d 发展的重点方向。 调光能实现人性化照明。在特定的场合里，并不一定需要所有灯具在所有 时段达到其所具有的最大亮度效果。例如：半夜到黎明时段的路灯，地铁车厢 从地下开到郊区地面时车厢里的照明灯，更常见的是在阳光明媚时靠近窗口的 办公室、学校、工厂等的荧光灯。利用调光器控制照明系统，以满足人们的使 用要求，营造不同的气氛，产生满意的效果。合理的调光方式是实现舒适照明 的有效手段。人们可以利用照明控制根据不同的时间、地点、氛围等更合理的 利用光源，满足人们最需要的效果。如果说l e d 是照明领域的第二次革命，那 么实现了l e d 照明的调光控制，对人类生活来讲将是一次不小的智慧变革【2 们。 3 2 国内外l e d 调光技术 在l e d 刚开始应用于道路等公共照明时，在推广初期，有些l e d 灯厂为 了达到调光节能的目的，借鉴间隔点灯的方式，将一盏l e d 灯的l e d 芯片分 成两部分，分别控制其驱动电流的通和断，在午夜1 2 点前，所有l e d 全部点 亮，1 2 点之后断开一半，以达到节能目的。此种调光方式能达到一定的节能效 果，照度的均匀度较传统间隔点灯方式有明显改善，但是仍将影响l e d 灯具的 配光曲线。为了进一步改善l e d 灯具的光效和配光曲线，有些l e d 灯厂又考 虑将l e d 芯片采用间隔方式排布，在调光时只看到间隔的亮或灭，在一定程度 上改善了均匀度和配光。 目前在国内外市面上l e d 调光的方式主要有三种：一是线性调光，二是p w m 调光，三是可控硅调光【2 lj 。三种调光技术各有优劣。线性调光主基是于简单的分 压原理，其优点是应用简单，不产生干扰。缺点是不灵活、效率低，而且在调低 l e d 电流的时，会引起白光l e d 向黄色光谱偏移，同时导致因为分压产生过多的 第三章调光技术 热量。 脉宽调制( p w m ) 调光技术是目前最有前景的l e d 调光技术。在进行脉冲 宽度p w m 调光时，需要外置一个脉冲宽度调节信号源。通过调节输入的脉冲信 号占空比来调制l e d 驱动芯片对功率场效应晶体管的栅极控制信号，从而实现调 节通过l e d 电流大小的目的。p w m 调光技术的优点是应用简单、精度高、效率 高，且调光效果好，缺点是一般l e d 驱动器都是基于开关电源原理，如果p w m 调光的频率为2 0 2 0 k h z 之间时，l e d 驱动器周围的电感和电容容易产生音频噪 声。此外，在进行p w m 调光时，调节信号的频率与l e d 驱动芯片对栅极控制信 号的频率越接近，线性效果就越差。 可控硅调光是目前在白炽灯和节能灯中被普遍采用的一种调光方式。目前市 面上9 0 以上的调光器均是可控硅调光器。其工作原理是将输入电压的波形通过 导通角切波之后，产生一个被切相的输出电压波形，达到减少输出电压有效值的 目的，以此来降低普通负载( 电阻负载) 的功率。可控硅调光的优点是工作效率较 高，性能稳定。缺点是可控硅导通后需要一个维持电流来保持导通，否则会恢复 到截止状态。国外可控硅调光器具有较高的抗浪涌能力和调相维持输出能力，不 同的可控硅维持电流不同，通常在7 m a 至5 ( h n a 之间。而国内普遍存在的普通简 易调光器，仅采用4 0 0 m a 的可控硅。而功率越大，需要的维持电流就越大，如果 维持电流不够，则导通角不稳定，导致输出波形产生颤动和尖峰，从而导致l e d 出现闪烁。其次，可控硅调光会导致l e d 驱动器产生音频噪音，影响生活环境。 3 2 1线性调光 调节l e d 驱动电流是改变l e d 亮度的最直接方法，因为l e d 的亮度几乎 和它的驱动电流直接成正比关系。图3 l 中显示了c r e e 公司的x l a m p x p - g 的 输出相对光强和正向电流的关系。 图3 - 1x l a m p x p - g 的输出相对光强和正向电流的关系 天津工业大学硕士学位论文 由上图中可知，假设以3 5 0 m a 时l e d 的光输出作为1 0 0 ，那么2 0 0 m a 时的光输出大约是最大光输出的6 0 ，1 0 0 m a 时大约是2 5 ，所以调节l e d 驱动电流是实现l e d 亮度调节的最直接办法。 线性调光是在直流恒压源的输出模块中，将l e d 灯和可变限流电阻串联， 如图3 - 2 ( a ) 所示，此限流电阻也称为电流检测电阻r s e n s e ，此可变电阻也可 用工作在放大区的晶体管代替【2 2 1 。通过改变可变电阻的阻值有效控制l e d 电 流，从而控制l e d 灯的亮度。 在当前市场上，几乎所有d c d c 恒流芯片都有一个检测电流的引脚，使检 测到的电压作为反馈与芯片内部的参考电压比较，来控制电流的恒定，如图3 2 ( a ) 所示。这个检测电阻的值通常很小，只有零点几欧，如果要在墙上安装一 个零点几欧的电位器来调节电流是不大可能的，因为引线本身就具有零点几欧 的电阻值。所以部分芯片设置一个控制电压引脚，改变输入的控制电压就可以 改变其输出恒流值。比如凌特公司的l t 3 4 7 8 ，如图3 - 2 ( b ) 所示，改变r l 和 r 2 的比值，也可以改变其输出的恒流值。 r 1 l砷ib) ( a ) 线性调光的简单设计( b ) 实际等效方法 图3 2 线性调光的实现 由于不同l e d 正向电流和光输出并不是完全的等系数正比关系，而且不同 的l e d 会有不同的正向电流和光输出关系曲线。所以用线性调节正向电流的方 法很难实现精确调节l e d 光输出。除了调节精度外，还会带来其他一些问题： ( 1 ) 色谱偏移 调整l e d 正向电流实现调亮度的同时会改变它的光谱和色温。因为目前白 光l e d 都是用蓝光l e d 激发黄色荧光粉而产生【2 3 】，当正向电流减小时，蓝光 l e d 亮度减小，但是此时黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱 的主波长增长，具体实例如图3 3 所耐2 4 j 。 第三章调光技术 暑 主 警 专 嘉 誊 爹 藿 薹 薹 i f m a 图3 3自光l e d 的主波长和正向电流的关系 由图3 - 3 可见，当正向电流为3 5 0 m a 时，主波长为5 4 5 8 脚；当正向电流 减小为2 0 0 m a 时，主波长为5 4 8 6 r i m ；当正向电流减小为l o o m a 时，主波长 为5 5 0 2 n m 。 同时，l e d 正向电流的改变也会引起色温的变化洲，具体实例如图3 4 所 示。 i f m a 图3 4白光l e d 的色温和正向电流的关系 由图3 4 可见，当正向电流为3 5 0 m a 时，l e d 所发光的色温为5 7 3 4 k ，而 正向电流减小到2 0 0 m a 时，色温偏移到