可调光市电输入LED通用照明解决方案

1、可调光市电输入LED通用照明解决方案LED在电子系统中使用已经有很多年了，主要用作电子设备的指示灯。最近在亮度和色彩深度方面取得的重大进步，意味著LED现在可以用于更广泛的应用，从手机和多媒体播放机中的趣味照明，一直到取代商业和家庭照明应用中的传统光源。推动LED照明市场发展的关键推动力是高亮度LED和智能LED控制器的出现。采用高亮度LED的产品设计师面临著许多设计挑战，包括散热管理、驱动方案、拓扑架构和已有的基础设施。要替代现有的可调光白炽灯或卤素灯光源，必须实现这样的一个电子灯驱动系统，它不仅可以与现有的调光开关一起工作，而且可复制现有光源的调光性能。NXP(恩智浦SSL2101 IC可

2、以满足上述性能要求，此外，它还是一种高效的电源转换器。这是业内第一款集成这些能力的IC，它使得高亮度LED灯/模块设计师能够以一种省成本和体积的方式集成电子电路，并从最佳热权衡中获益。LED特性LED需要一个与白炽灯或卤素灯完全不同类型的驱动器。白炽灯表现为具备自稳定特性的纯电阻负载，LED则需要一个电流源。LED产生的光通量近似正比于流经该器件的电流。LED的正向电压随电流增加而增加，但随温度的上升而减少。在这方面，LED表现得象二极管。不过，在工作期间LED的正向电压（VF）是很大的。该电压与电子转化为光子时产生的能量（eV）相关，该能量又直接相关于光的颜色。此外，不同生产批次之间的VF值

3、可以相差很大。串行/并行配置在大多数用LED替代现有光源的应用中，需要连接多个LED到驱动器上，因为单一的LED不能产生足够的光通量。LED可以采用串行或并行连接。如果LED采用串行连接，LED链上的总电压等于正向电压的总和（所有LED上的电流相等）。如果LED并行连接，电流将分配到各支路中。不过，由于一个LED的正向电压会随著温度上升而下降，因此这一配置本质上是不稳定的。随着温度的升高，越来越多的电流将流到具有更低正向电压的支路上去，这些支路将变得更亮，而那些具有更高正向电压的支路将变得更暗。不过，采用并联配置（或串并联组合）的一个原因是，它允许大量的LED以一个安全的电源电压结合在一起，而

4、如果要采用串行连接来达到相同的亮度，你可能需要一个高得令人无法接受的电压。并行配置还提供了冗余优势。如果一个串行连接的LED链上一个LED或连接出现问题，那么将导致断路，整条链上的所有LED都将不发光。但如采用并联配置的话，这情况将不可能发生。采用并联配置时，建议每条支路都增加电流调节机制，以防止热失控和电流或光的不相等。总而言之，当输出和输入电压差最小时，电源转换器的效率最高。当采用市电输入的LED驱动器时，允许产生更高的输出电压，从而允许串行连接更多的LED。市电调光标准工业和家用调光器设计用于白炽灯。一些较先进的型号可与连接到卤素灯的变压器一起使用。目前专门针对LED负载的市电调光器仍然

5、很罕见。购买和安装一个新的专用调光器的成本可以很容易就超过光源本身。因此一个可与现有调光基础设施一起工作的LED照明系统(如基于恩智浦SSL2101构建的系统，将打开这个具有庞大潜力和空间市场的大门。由于现有的调光器被设计用于白炽灯（近似电阻负载，功率大多在20W和50W之间），因此需要一些额外的电路才能允许它们用于LED照明系统。目前市场上还没有白炽灯调光器标准，因此目前市场上有大量不同性能和参数值的市电调光器。SSL2101是一个采用SO16封装的多芯片模组(MCM。它包含一个高效率的电源转换器和内部电路来实现市电调光兼容性。与现有解决方案相比，它具有以下优点：集成电源开关。这可减小元器件

6、成本，并确保最优的驱动和开关保护。谷值检测。这一特性可降低转换器损失，因为开关可在最佳的时间点闭合。集成bleeder开关和比较器，这可减少元器件数量和尺寸。智能bleeder操作。SSL2101可检测到何时不需要bleeder操作(如LED链提供足够的负载，这可减少功耗和增加系统效率。增强的散热引脚设计。这可增加SSL2101的寿命，并允许它在更高的环境温度下正常工作。对于替代解决方案，电子器件在更高温度下的寿命可以是一个关键的参数。基于占空比和转换器开关频率的调光。这允许设计师有更大的自由度去定义参数值。这使得设计师可以通过调节控制调光系统的参数，实现更精确的低亮度调光，以及消除音频变压器

7、噪声。对数调光校正。这使得LED的调光行为可以与白炽灯或卤素灯一模一样。内建的过热保护、过流保护、短路检测和最大占空比限制。这些特性确保了SSL2101的高可靠性，即便在极端工作条件下也是一样。LED照明和太阳能充电的技术挑战及解决方案作为一种既环保又节能的解决方案，LED照明在汽车、家庭、办公楼、酒店、机场和路灯等广泛的应用场合找到了自己的用武之地。但它的大规模商用除了还要克服成本障碍以外，还需要解决调光闪烁、散热、色彩均匀性等技术难题。此外，对清洁能源的关注和太阳能电池板成本的下降，也带动了当前业内的太阳能商用热潮。为了帮助读者更快更好地把握这一商机，本刊特别邀请到了Linear电源专家T

8、ony Armstrong来分享他的独到见解。 Linear电源专家Tony Armstrong问：采用PWM或模拟调光时，如何消除LED的光闪烁现象？ 答：面对高功率、高亮度LED普及率的日益提高，电子照明设计师必须提供高效、准确和简单的LED驱动解决方案。由于高功率照明灯(如汽车前照灯或大型LCD显示器背光源实现了与商用化串联LED阵列的互换性，因而使得此项任务变得更加困难。 传统上，利用准确的电流来驱动高功率LED串与实现简单性和高效率这两者之间是相抵触的，通常需要采用某种效率低下的线性稳压器方案或更加精细复杂的多IC开关稳压器配置。此外，确保每个LED具有均匀的亮度且不产生任何闪烁也成

9、为了主要的设计障碍。 人们普遍接受的LED亮度控制方法有两种，即模拟调光和PWM数字调光。当采用模拟调光时，LED电流的调节范围在某个最大值至该最大值的约10%之间(10:1调光范围。由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。然而，PWM数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率(通常高于100kHz在零电流和最大LED电流之间进行切换。该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达3000:1的调光范围(仅受限于最小占空比。由于LED电流要么处于最大值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。 问：大功率L

10、ED照明的散热问题应该如何解决？ 答：两种用量最大、功率最高的LED照明应用是大屏幕LCD TV显示器的背面照明和汽车前照灯。您不妨看看Lexus(雷克萨斯、Audi(奥迪、甚至GM(通用公司的Cadillac Escalade所使用的标准LED汽车前照灯。所有这些汽车的总体照明结构均很相似。每个汽车前照灯包括5种专为各种照明要求而优化的LED供电光束，包括：近光灯、远光灯、转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯。 标准LED照明光束通常将需要35W至50W的供电功率。这或许看似不是很多的功率；然而，LED提供的亮度却达到了HID卤素灯的10倍，因此LED的光输出就相当于500W的卤素灯。远光

11、灯所需的功率一般与标准照明光束相同或略为高一点，而转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯所需的功率则较低。不过，该总体汽车前照灯会消耗200W以上的电能，因而有可能产生重大的热功率耗散问题。这确实不是什么好事，因为随着工作温度的升高，LED的光输出和工作寿命将迅速降低。 处理该散热问题方法有很多种。一种是增加大量的散热器以把热量从照明灯移走。然而，这会产生另一组问题，包括因为散热材料的使用而导致的成本和重量的增加。解决这一问题最有效的方法是采用一个具极高效率的驱动器(效率93% 来最大限度地减少LED驱动电路的热耗散。这并不像听起来那么困难，原因是一个50W的远光灯通常可由14个串联的1A L

12、ED组成。由于整个温度范围内的正向电压降约为每个LED 4V，因此升压转换器LED驱动器拓扑结构能够以93%的效率将12V的标称电池电压提升至刚好超过56V。这使得仅需耗散3.5W的功率，对于该功率耗散值，在安装了LED汽车前照灯的印刷电路板内布设低等级的铜散热器便可轻松地满足要求。 问：用太阳能电池板采集来的电能对蓄电池进行充电时，关键的设计挑战有哪些？ 答：作为在商业和住宅环境中均具实用性的一种发电方法而言，太阳能电池板已经被人们所广泛接受。然而，尽管在技术方面取得了进步，太阳能电池板的造价仍然很昂贵。这种高昂的成本有很大部分来自于电池板本身，这里，电池板的尺寸 (因而也包括其成本 将随着

13、所需输出功率的增加而增加。因此，为了造就外形尺寸最小、成本效益性最佳的解决方案，最大限度地提升电池板性能是很重要的。 一般而言，太阳能电池板所获取的能量用于给电池充电，电池的储能反过来将在没有阳光照射的情况下为终端应用电路的操作提供支持。如欲实现太阳能电池充电器的最佳设计，则必需对太阳能电池板的特性有所了解。首先，由于具有很大的结合区，因此太阳能电池板会发生泄漏，在黑暗条件下电池将通过电池板放电。而且，每块太阳能电池板都拥有一个具最大功率点的特征IV曲线，所以，当负载特性与电池板特性不相匹配时，能量提取将有所减少。理想的情况是：电池板将在最大功率点上被持续加载，以充分地利用可用的太阳能，并由此

14、最大限度地缩减电池板成本。 一般情况下，可以采用一个与电池板相串联的肖特基二极管来解决电池板的泄漏问题。反向泄漏被减小至一个很低的数值；然而，肖特基二极管的正向电压降 (它在高电流条件下会消耗大量的功率 仍然会造成能量损失。因此，需要采用昂贵的散热器和精细的布局来把肖特基二极管保持于低温状态。解决该功率耗散问题的一种更加有效方法是用一个基于MOSFET的理想二极管来替代肖特基二极管。这将把正向电压降减小到低至20mV，从而显著地减少功耗，同时降低散热布局的复杂性、外形尺寸和成本。幸运的是，由于已经有一些IC供应商制造出了具有这种规格的理想二极管 (比如：由凌力尔特公司提供的LTC4412，因此

15、上述目标得以轻松实现。 不过，有两个问题依然存在，即：“至满充电电池的浮动电压控制”和“在最佳发电点给电池板加载”。这些问题常常可以通过采用一个开关模式充电器和一个高效率降压型稳压器来加以解决。 凌力尔特已经开发出了这样一款电路，它由LTC1625 No RESNSE(无检测电阻器同步降压型控制器、LTC1541微功率运算放大器、比较器和基准、以及LTC4412理想二极管组成。下面给出了该电路以供参考： 图1中的电路被置于太阳能电池板和电池之间，用于调节电池浮动电压。基于LTC1541的附加控制环路强制充电器在最大电池板功率点上运作。这种效率的提升缩减了所需的电池板尺寸，因而降低了总体解决方案

16、的成本。当电池板峰值电源电压和电池电压之间存在失配时，这款电路的重要优点表现得尤为突出。 图1：峰值功率跟踪降压充电器最大限度地提高了效率点击下载清晰大图问：Linear提供了哪些独特的解决方案来解决以上设计挑战？ 答：为了满足LED驱动以及太阳能电池板电池充电器的设计需要，凌力尔特提供了各种各样的产品。LT3595、LT3518和LT3755便是其中一些产品。 此类产品和LED驱动器IC的一个实例是凌力尔特的LT3595降压模式LED驱动器，它具有16个单独的通道，每个通道能够从高达45V的输入来驱动一个由多达10个50mA LED所组成的LED串。每个通道可用于驱动10个串联LED以提供局

17、部调光。于是，每个LT3595都能够驱动多达160个50mA白光LED。一台46英寸LCD TV将需要为每部HDTV配用约10个LT3595。它的16个通道均可以独立控制，并具有一个能够提供高达5000:1 PWM调光比的单独PWM输入。 每个通道只需要一个纤巧的片式电感器和一个甚至更加小巧的陶瓷输出电容器。所需的其他元件仅为单个输入电容器和电流设定电阻器 (图2。所有16个通道的箝位二极管、电源开关和具补偿功能的控制逻辑电路都被压缩在LT3595的相对较小56引脚、5mm x 9mm QFN封装之内。 图2：一个从45V输入来驱动160个白光LED的16通道LED驱动器。PWM调光比为500

18、0:1。大多数电池供电型便携式产品均具有一个或多个显示屏，用于向用户传递图形信息。然而，TFT-LCD显示屏 (甚至OLED屏 的供电需要系统设计师给予特别的关注。为了实现TFT-LCD屏的正确供电，一个DC/DC转换器必需要能够以正确上电和断电排序来提供三个独立的输出电压，即：AVDD、VON和VOFF。凌力尔特认识到了这一点，并开发出了专门针对该用途的专用单片式DC/DC转换器。最新推出的一款器件是我们的LT3513。该转换器具有5个独立受控的稳压器，用于提供一个TFT-LCD屏内部所有必要的电源轨。 其降压型稳压器能够为逻辑电源轨输送高达1.2A的连续输出电流。可以利用LDO控制器和一个

19、外部NPN MOSFET产生一个较低电压辅助逻辑电源。一个高功率升压型转换器 (ISW = 1.5A、一个较低功率升压型转换器 (ISW = 250mA 和一个负输出转换器 (ISW = 250mA 提供了三个独立的输出电压，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF。一个集成高压侧PNP提供了VON信号的延迟接通，而显示屏保护电路则将在4个输出中的任一个低于其编程输出电压达10%以上时停用VON，从而起到保护TFT-LCD屏的作用。其他特点包括集成肖特基二极管、用于AVDD引脚的PGOOD引脚、输出断接以及用于降压型稳压器的电感器电流检测功能。 LT3755/-1是一款60V、高压侧电

20、流检测DC/DC控制器，专为从一个4.5V至40V的输入电压范围来驱动高电流LED而设计。LT3756/-1采用了相同的设计，但可以从6V至100V的输入来提供至100V的输出。这两款器件的“-1”版本均具备外部同步能力，而标准器件版本则用一个开路LED状态指示器替代了该引脚的功能。这两款器件都非常适合于众多的应用，包括汽车、工业和建筑照明。 对于那些需要高于40V输入电压 (比如：48V电源轨 的应用，LT3756/-1将是优选的解决方案。LT3755/-1和 LT3756/-1均采用一个外部N沟道MOSFET，并能够从一个12V (标称值 输入来驱动多达14个1A白光LED，从而提供了50

21、W以上的功率。它们内置了一个高压侧电流检测电路，因而使其能够在升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑结构中使用。LT3755/-1和 LT3756/-1在升压模式中能提供超过 94% 的效率，从而免除了任何增设外部散热装置的需要。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内设置频率，因而优化了效率，并最大限度地缩减了外部元件的尺寸和成本。再加上所采用3mm3mm QFN封装或耐热性能增强型MSOP-16E封装，LT3755/-1和 LT3756/-1提供了一款非常紧凑的高功率LED驱动器解决方案。 LT3755/-1和 LT3756/-1均采用了True Color PWM

22、调光，这种调光方式提供了恒定的LED彩色和高达3000:1的调光范围。对于不太苛刻的调光要求，可采用CTRL引脚来提供一个10:1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源电压和输出电压范围内实现了稳定的操作性能。一个参考于地电压的FB引脚用作多个LED保护功能电路的输入，从而使转换器能够起一个恒定电压源的作用。 受访人：Tony Armstrong产品市场总监电源产品部凌力尔特公司 NXP 15W以下市电输入LED通用照明解决方案NXP开发的SSL152x系列器件是一个开关模式电源（SMPS）控制器IC，可直接接受整流后的通用交流电压输入。它采用高压EZ-HV SOI工艺和低压

23、BiCMOS工艺实现。该系列器件包含一个高压电源开关和一个直接接受整流交流电压的启动电路。 该器件内建了一个专门的谷值开关电路，它使得系统设计师有可能实现一个非常高效率的超薄固态照明应用。 SSL152x可以实现功率高达15W的LED照明应用。对于LED输出功率范围介于15W和25W的应用，SSL1623PH是最佳选择。而当LED输出功率大于25W时，可以使用SSL1750。 在最基本的应用中，SSL152x系列器件用作一个电压源。在这里，不需要系统设计师具备任何额外的辅助电子学知识。它使得可以采用最低成本的外部元件来实现一个融合的电压和电流源。SSL152x系列器件的实现为市电输入LED驱动

24、器提供了一个高效率和低成本的电源系统。 SSL152x系列器件的主要特性包括： 集成的电源开关：SSL1522T（12，650 V）和SSL1523P（6.5，650 V） 专为高达15W输出功率的通用交流输入LED照明应用而设计 直接通用交流电源驱动（80V到276V） 可调节开关频率允许实现更灵活的设计 谷值开关可以实现最小的导通损失 在低功率输出时通过降低开关频率实现低待机功耗（小于100mW） 可调节过流保护、欠压保护、过温保护和短路保护 易于实现带初级反馈和次级反馈（光耦合）的简单应用 提供DIP8和SO14两种封装 该系列器件的主要目标应用包括：1）直接替代白炽灯泡的LED灯泡；2

25、）LED镇流器；3）通道字符照明；4）商业照明，如壁橱或冰箱照明；5）景观轮廓照明；6）其他照明应用。自动调光LED手电筒电路设计由于光输出效率高和寿命长，高亮度LED非常适合用在手电筒中。典型的LED采用恒流驱动，因此当电池电压下降时，手电筒将停止工作。在某些情况下，这可能非常危险。如果在电池电压下降的情况下LED手电筒能自动调暗，那就好用了。就像传统的手电筒一样，用发光亮度调暗来指示低电池电压工作状态，并能持续更长时间的发光。 一般来说，白光LED的正向电压时3V至5V。因此，如果输入电压低于3V，可采用升压转换器驱动LED。图1电路给出了由电池供电、具有自动调光功能的升压转换器电路。 L

26、6920D是一个高效率的升压控制器，仅需很少的外部元件就能将电池电压转换到指定的输出电压或电流。该器件的静态电流仅为10uA。该器件还包含带120-m? P-channel MOSFET的内部同步整流器，可取代传统的升压二极管，提高效率。 在这个电路中， LED电流ILED是电池电压VFB的函数。当电池电压下降时， LED电流下降，这样电池可以持续更长时间，手电筒可以提供调光特性。假设VFB=1.23V(由L6920D确定,则： 如果R5R4，则R5|R4R4，于是有： 最后得到： 图2是根据图1电路中的电阻值计算得到的LED电流曲线。对恒定LED手电筒和自动调光LED手电筒进行了对比，两者都

27、采用两节AAA电池供电，运行时间分别为50和90分钟。自动调光LED的电池使用时间几乎增加了一倍，并在电池电压下降时提供了警告。 图1：利用高效率升压控制器设计的自动调光LED手电筒电路。图2：根据图1电路的电阻值计算得到的LED电流曲线。作者：Jianwen Shao应用工程师Email address: 意法半导体公司LED照明设计需要注意的技术细节LED照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得到海量的应用，欧司朗光学半导体公司2008年调查统

28、计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。 LED光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。以1W LED光源为例，2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一，2009年春将降至2006年的四分之一。 LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！ LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。 LED高节能：直流驱动，超低功耗(单管0.03瓦-1 瓦电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 LED长寿命：LED光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封

29、装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 LED利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，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。 LED光源工作特点 照明用LED光源的VF电压都很低，一般VF =2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VF X N或VF X 1, IF恒流在15-1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率(IF=15-20mA和大功率(IF200mA二

30、种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势无法体现。 LED灯具对低压驱动芯片的要求：1. 驱动芯片的标称输入电压范围应当满足DC8-40V，以覆盖应用面的

31、需要，耐压如能大于45V更好；AC 12V或24 V输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动IC如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED光源也因此被烧毁。2. 驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2-1.5A，作为照明用的LED光源，1W功率的LED光源其标称工作电流为350mA，3W功率的LED光源其标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具选用的驱动IC必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动IC工作在满负输出的70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动IC在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳

32、和早期失效。3. 驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分档，调整PCB板上电流设定电阻(Rs的阻值大小，使之生产的LED灯具恒流驱动板对同类LED光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。4. 驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die直接绑定在铜板上，并有一Pin直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热(图1。如在一个类似4X4mm的硅片管芯上

33、，要长时间通过300-1000mA的电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关重要的。5. 驱动芯片本身的抗EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否顺利通过CE、UL等认证，因此驱动芯片本身在设计伊始就要选用优秀的拓朴结构和高压的生产工艺。6. 驱动芯片自身功耗要求小于0.5W，开关工作频率要求大于120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁。 LED绿色照明促使驱动芯片向创新设计发展，LED灯具照明是离不开驱动芯片的，因此需要多种功能的LED光源驱动IC。LED灯具选用36V以下的交流电源可以考虑非隔离供电，如选用220V和100V的交流电源应考虑隔离供电。直接使

34、用AC100-220V的驱动芯片，因应用体积苛求，在技术上还有更高的要求、更大的难度，目前各国都在努力开发中。LED灯具的海量需求市场给所有集成电路设计公司再次成功的机会，快速转型、早出产品，赢的机会多多。 作者：颜重光、高工华润矽威科技(上海有限公司 LED照明系统设计指南完全版本文详细讨论LED照明系统设计的六个设计步骤：(1确定照明需求；(2确定设计目标估计光学；(3热和电气系统的效率；(4计算需要的LED数量；(5对所有的设计可能都予以考虑，从中选择最佳设计；(6完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设计为例，但所述的设计过程可以用于任何LED照明设计中。 现在的照明应用LED，具有普通

35、照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多数普通照明应用设计中都采用这类LED，包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需维护(因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多且能耗降低，所以基于LED的照明降低了总体拥有成本(TCO。 全世界有200亿以上的灯具使用白炽、卤素或荧光灯。其中许多灯具用作方向照明，但都是采用在所有方向发光的灯。美国能源部(DOE称，在新住宅建筑里，嵌顶灯是安装最普遍的照明灯。此外，DOE报告称，采用非反射灯的嵌顶灯一般效率只有50%，就是说，这类灯所产生光的一半都浪费到灯具内了。 相反，照明级LED具有至少50,000小时的高效、方向

36、性照明。利用照明级LED的所有优点设计的室内照明有以下优点： 1 功效超过所有白炽灯和卤素灯具2 能与甚至最好的CFL(紧凑荧光嵌顶灯的性能相媲美3 与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长5到50倍4 降低光对环境的影响：不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 照明还是灯？ 在普通照明中设计LED需要在两种方法间作出选择，是设计基于LED的完整的照明，还是设计安装到已有灯具上的基于LED的灯。一般来说，一个完整的照明设计，其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯，因为现有灯具不会约束设计。对目标应用，到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性更重要，这要由设计师来决定。 针对已有照明的设

37、计方法 如果目标应用采用构造新型LED照明更好，那么就设计照明的光输出，使其相当于或者超过现有照明匹配具有多种优点。首先，现有设计已经针对目标应用进行了优化，可以在围绕有关光输出、成本和工作环境而确定设计目标时提供指导。其次，现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同，终端用户转换成LED照明更容易一些。 遗憾的是，有些LED照明制造商错误报告或者夸大了LED照明的效率和使用寿命特性。在CFL替换灯泡的早期的数年，照明业也遇到了类似问题。行业标准的缺乏，以及早期产品质量的巨大差异将CFL技术的采用推迟了很多年。美国能源部意识到了早期LED照明也可能存在相同的标准和质量问题，并且这些问题可

38、能以类似的方式延迟了LED照明的使用。作为应对措施，美国能源部发起了“DOE SSL商用产品测试计划(CPTP”，对LED照明制造商声称的指标进行测试。该计划以匿名方式测试LED照明的下列4个特性：照明光输出(流明、 照明效率(流明每瓦、相关色温(开氏度、显色指数。 DOE的CPTP将关注点放在了照明可用光输出上，而不仅仅是照明的光输出上，这为LED照明设计设定了一个很好的先例。 灯的概念可能过时了 LED光的使用寿命很长，这就可能使灯的概念变得过时了。照明级LED不会像电灯泡那样出现灾难性失效。相反，照明级LED在逐渐退化到其最初光输出通量(也称作流明维持的70%之前，具有至少5万小时的使用

39、寿命，也就是说连续点亮5.7年！ 不过，在大多数照明环境下，灯有规律地熄灭。这一熄灭期足足可以将LED的使用寿命延长到30年以上 ，如曲线1所示。过了这么多年之后，LED照明将“烧尽”，而那时LED照明技术下的照明将更亮、效率更高，与老式LED照明相比很可能要节省TCO。 不要忘记： LED照明的这5万小时使用寿命避免了多少对环境的影响。送往填埋场的白炽灯泡至少要少25倍,并且能源消耗量要少5倍。(美国约50%的能源来自燃煤，而燃煤会给空气中释放汞。或者，送往处理的含汞C灯泡至少减少5倍。 如前面提到的，不用维护是LED照明的一个重要优点。因此，设计LED照明，使其使用寿命最长并节省TCO是一

40、个应对LED照明原始成本高这一障碍的极佳策略。 表1列出了设计大功率LED照明的一般步骤。本文的其余部分依次讨论这些设计步骤。为了更好地说明这些设计概念，本文给出了一个LED照明取代23W CFL嵌顶灯的计算例子。不仅对本例，对所有类型照明，本设计步骤都可重复使用。 步骤一：确定照明需求 LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对其它应用，确定现有照明的特性是一个好方法。 表2列出了确定现有照明特性时要考虑的主要特性。光输出和功率特性始终很关键，而根据应用的不同，其它特性可能重要，也可能不重要。

41、 所有照明公司都可以提供数据文件或文档，详细给出其各种灯具的关键特性。“潜在关键”的特性要更主观一些，或者在制造商文档里没有列出。在这种情况下，由设计师确定现有照明的特性。 图1说明了例中CFL嵌顶灯的关键特性。 表3给出了现有照明的全部特性。 步骤二：确定设计目标 照明要求确定好了之后，就可以确定LED照明的设计目标了。与定义照明要求时一样，关键设计目标与光输出和功耗有关。确保包含了对目标应用也可能重要的其它设计目标，包括工作环境、材料清单(BOM成本和使用寿命。 表4以LED照明为例列出的设计目标。 步骤三：估计光学系统、热系统和电气系统的效率 设计过程中最重要的参数之一是，需要多少个LE

42、D才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开，因为LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。 查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，这种方法很诱人。然而，此方法太简化了，依此设计将满足不了应用的照明要求。 LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的无效率。以前原型机设计的个人经验，或者本文提供的例子数量，都可以作为指南来估计这些损失。本节对估计这些系统损失的过程进行简述。 光学系统效率 通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的两种主要的光损失源为： 1.次级光学器件 次级光学器件是不属于LED本

43、身的所有光学系统，如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失根据使用的特定元件的不同而变化。通过各次级光元件的典型光学效率在85%和90%之间。 2灯具内的光损失 当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收，有些则反射回灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。如图2所示，LED光具有方向性，可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。 对示例中的照明，如果照明需要次级光学器件，则只存在次级光损失。次级光学器件的主要目的是改变LED的光输出图像。曲线2将Cree XLamp XR-E LED的光束角度与目标灯具的光输出图像进行了

44、比较。裸LED的光束角度与目标灯具的非常相似，所以不需要次级光学器件。因此，对本示例照明，不存在次级光学器件引起的光损失。 要计算本CFL示例的灯具损失，我们假定灯具反射杯的反射率为85%，60%的光将打到反射杯上。因此，光学效率为： 热损失 LED的相对通量输出随着结温的上升而降低。大多数LED数据手册都列出了25下的典型光通量值，而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温Tj 25时，光通量肯定比LED数据手册给出的值差。 LED数据手册中有一个曲线，给出了相对光输出与结温的关系，例如如曲线3所示的XLamp XR-E白色LED。该曲线通过选择特定相对光输出或者特定结温，给出了其它特性值。

45、 对本CFL示例，其照明只是为屋顶通风的商业建筑设计的。本设计基于所列的设计目标，对光输出、功效和使用寿命的优先次序进行了划分。 XLamp XR-E LED额定为5万小时后提供平均70%的流明维持率，结温保持在80或以下。因此，CFL示例的最高合适结温为80。对应的最小相对光通量为85%，如曲线3所示。这一85%相对光通量是对本例照明热功效估计的值。 电气损失 LED驱动电子设备将可用功率源(如墙体插座交流电或电池转换成稳定的电流源。这一过程与所有电源一样，效率不会达到100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效能，因为把输入功率浪费在发热上了，而没有用在发光上。在开始设计LED系统时，就应

46、考虑到电气损失。 典型LED驱动器的效率在80%到90%之间。效率高于90%的驱动器的成本要高得多。要注意，驱动器效率可能随输出负载而变化，如曲线4所示。应指定驱动器工作在大于50%输出负载下，以使效率最大，并使成本最低。 曲线4示例的LED驱动器效率与负载的关系 对于室内应用，驱动器效率87%的估值很好。室外用或非常长的使用寿命的驱动器，效率可能要低一些。 表5概括了示例照明的光、热和电气系统的效率。 步骤四：计算需要的LED数量 实际需要的流明量 所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。对本计算，只使用光效率(光学和热。电气效率只影响总功耗和灯具效能，而不影响

47、照明的光输出量。示例照明“需要的实际流明”的计算如下： 所需的实际流明=目标流明/(光学效率热效率=810/(91%85%=1,050lm 工作电流 另一个需要确定的是LED的工作电流。工作电流在确定LED照明的效能和使用寿命时很重要。增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需的LED数量。不过，增加工作电流同时也带来多个缺点，如表6所示。根据应用的不同，考虑到每个LED流明输出值更高，这些缺点也许可以接受。 对示例照明，使用寿命和功效是最应优先考虑的设计目标，本照明以XLamp XR-E数据手册所列的最小工作电流(350 mA工作，以最大限度提高LED功效并延长使用寿命。 LED

48、数量 工作电流确定之后，就可以计算各LED的流明输出数了。由于LED的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED供应商文档给出的数量可以直接使用。 对本计算，使用LED订单代码所列的最小通量，而不是使用数据手册给出的典型数量。大多数LED公司根据最小通量范围销售。根据此最小数来设计，就可以确保用该LED订单代码制作的所有照明都能满足目标要求。 本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA时的最小光通量为67.2 (P2 flux bin。LED的数量计算如下。 LED的数量=实际所需的流明数/每个LED的流明数1,050 lm / 67.2 lm=1

49、6个LED 步骤五：考虑所有设计可能并选择最佳设计 LED数计算好之后，考虑满足设计目标的所有设计可能。由于每个LED都是一个小照明，比传统照明的使用寿命要长许多，因此LED可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明中。设计师可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次级光学器件来构造原始设计，。 同时不要忘记，有许多不同规则限制着设计的选择。要给出适用LED照明的完整的世界标准列表超出了本文的范围，不过，下面的表7给出了世界某些地域使用的规则的例子。 本节的其余部分对本示例LED照明的各系统(光学、热和电器的3个选项进行说明。对每个系统，给出了最佳选项的选择指南。 光学系统选项 1裸LED和现有

50、灯反射器 如前面所述，现有CFL灯具的角度和LED的角度非常相似，因此，可选则不使用次级光学器件。本选项可使成本最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，人力也较少，这样使照明安装更简单并且费用更低。 缺点是会出现多照明阴影效应，下面将对此予以说明。另外，如果LED的光分布与目标照明的光分布差异很大，就不能采用此方法。 2带有次级光学器件的LED和现有灯反射器 次级光学器件是除LED初级光学器件外附加的光学元件，用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射(光从某个表面反射回，或者折射(光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照

51、明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。 每个LED使用一个次级光学器件，各LED的光束角度就可以定制，从而得到所需的准确光图像输出。例如，可以缩小各LED的光束角度，为点照明优化照明，而不是为普通照明优化。 这种方法有几个缺点。首先，因为增加了元件并且装配较复杂,所以照明的成本较高。其次，由于光学器件连接到各LED上，可能仍然存在多照明阴影。最后，次级光学器件会降低光学系统的功效。 3裸LED，现有的灯反射器和漫射器 不是每个LED都使用一个光学器件，整个LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光束角度比裸LED能达到的光束角度宽，并且消除了多照明阴影效应。 选项2的缺点是成本较高，

52、并且光学系统的功效低。由于漫射器只能发散光，不能聚集，所以，如果光分布必须窄于裸LED的分布，则不能选择这种方法。 光照度分布、多源阴影效应和美观度通常决定了光学系统的选择。如果光输出必须比裸LED的光输出窄，就只能选择选项2。否则，选项1在成本、功效和亮度上要更好。不过，选项1和2都有多源阴影效应。 另外，用户查看选项1和2时，会发现单个的LED，而使用选项3的用户只能看见一个发散而均匀的照明。 多源阴影效应 多源阴影效应是当物体位于多个照明之间时，表面出现多个阴影的现象。大多数人都见过安装在浴室水池上方的多个灯泡，会注意到后面墙壁上有多个自己的影子，这就是多源阴影效应。 布局很近的LED将

53、产生多个相互接近的阴影。在目标应用中，这些接近的阴影的出现可能不受欢迎。设计师要决定，对目标应用，多阴影效应的重要性有多大，增加满射器以减小此效应而带来的额外光学损失是否值得。 热系统选项 1现有灯具罩 最低成本选项是将现有设计的灯具罩作为LED照明的罩和散热片来重新使用。 新照明设计显然不能选择这一选项。另外，多数现有罩都是钢制的，热导性差。一般来说，选择钢罩不利于散热。 2现成的散热片 另一个选项是购买现成的散热片。这种现成的散热片设计经过验证，制造商有完整的技术指标。不过，其性能、尺寸和形状可能没有面向目标应用而优化。 3定制散热片 定制方案为应用提供了优化散热片的最佳机会，但有几个缺点

54、。 这一选项需要设计师能利用热仿真软件，或者由有热设计经验的第三方来协助。加工和制造费用可能使定制散热片的单位成本高于现成设计的成本。 目标照明的成本、可用的散热片开发时间以及目标最高环境温度常常决定了热系统的选择。一般来说，在降低成本比最高环境温度更重要的情况下,选项2更好。在最高环境温度更重要的情况下, 选项3更优(如室外照明或条件不好的室内照明。 例子中的LED照明使用热阻为0.47/W万的现成散热片。使用这一散热片热阻值，最高环境温度可以用下式计算： Tj=Ta + ( Rth b-aPtotal + ( Rth j-spPLED 其中，Tj 为 LED结温，Ta 为环境温度，Rth

55、b-a为散热片的热阻，PLED为单个LED的功耗，PLED=工作电流该工作电流下的典型Vf，Ptotal =总功耗=LED数PLED，Rth j-sp=LED封装热阻。 示例中的照明的值为： Tj,MAX=80Rth b-a=0.47/WPLED=0.35 A3.3 V=1.155 WPtotal=161.155 W=18.48 WRth j-sp=8/W Ta MAX=Tj MAX-( Rth b-aPtotal -( Rth j-spPLED = 80- ( 0.47/W18.48 W -( 8/W1.155 W = 80- 8.6856-9.24= 62 对本室内应用，例中照明的最高环境

56、温度62可以接受。对需要最高环境温度更高的工作环境，既可以提高最大结温(可能影响使用寿命，也可以改进热系统(Rth b-a (例如选择更好的散热片。 电气系统选项 1现成的LED驱动器 由于现成LED驱动器已经可以使用了，并且有参考电路设计，所以，使用现成的LED驱动器将使设计时间最快。对所有零件都进行电磁干扰(EMI和安规测试，并且一般来说，批量情况下每单位的成本最低。 缺点是现有LED驱动器效率通常在80%中间范围。根据销售商和应用的不同，使用寿命和工作温度也可能是个问题。 2下一代LED驱动器 随着LED照明的逐渐普及，更多的半导体公司都在将注意力转向优化LED设计。也可选择与一家这样的

57、公司就下一代LED驱动器开发进行合作，这样效率更高，并且能获得管理部门的完全认可。 不过，等待产品开发可能推迟LED照明的开发。另外，小一些的公司可能无法找到驱动器公司来一起开发未上市的产品。 3定制设计 对于热设计，可以选择完全定制电气系统。可能比使用现成零件达到的效率高，但有许多潜在缺点。 开发和认证批准由设计师承担。即使在开发之后，每单位成本也可能高于现有方案。另外，不要忘记，在LED照明开发期间，驱动器公司会一直开发效率更高且更廉价的驱动器。 可以利用的开发资源和目标效率通常决定了电气系统的选择。在目前的大功率LED环境下，总照明效率的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。尽快完成产品可能比试图等电气设计更完美后要有利。 步骤六：最后步骤 表8详细给出了构建和评估原型照明的最后步骤，一旦作出设计决定，可按照该步骤来完成。 从哪里得到帮助 整个LED照明设计步骤是决定性的。表9提供了可以帮助得到最终设计的Cree目前的合作伙伴的联系方法。 点击此处下载全文(PDF 本文来自Cree公司高功率LED照明设计师应清楚的5大概念高功率LED通常指1W以上的LED，是目前市场上炙手可热的技术。自该项技术诞生以来，高功率LED以其用途广、功能全的优势