鉅大LARGE | 點擊量:916次 | 2019年12月28日
Led區域照明驅動架構與典型設計
隨著人們節能環保意識的日漸增強,業界越來越關注能源消耗對環境的影響。在各種能源消耗途徑中,據統計,有高達20%至22%的電能用于照明。提高照明應用的能源使用效率乃至進一步降低其能源消耗,有助于減少二氧化碳排放,造就更加綠色環保的世界。因此,高能效照明正在成為業界競逐的一個焦點。
從應用領域來看,照明涵蓋住宅照明、工業照明、街道照明和餐廳、零售及服務業照明等不同類別。而從功率等級來看,除了低功率照明,也包括大功率區域照明,典型應用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車場及公共安全照明、工業及零售照明等室外照明,以及低頂燈、高頂燈、凍柜/冰箱及停車庫等室內照明。
大功率區域照明存在不少挑戰,如燈具可能難以接近、光源發生故障時可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環境條件等。此外,不容忽視的是,應用于大功率區域照明的現有光源(如金屬鹵素燈、高壓鈉燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈)存在著不少局限,如高壓鈉燈的顯色性差(CRI約為22),金屬鹵素燈的典型燈具損耗較高(40%)且其從啟動到發光至完整亮度經歷的時間可能長達10分鐘,線性熒光燈的冷溫度性能差,緊湊型熒光燈的啟動速度也較慢。
另一方面,隨著高亮度白光發光二極管(led)在性能和成本等方面持續改進,越來越多地用于大功率區域照明,并提供傳統光源不具備的優勢,如發出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質量更佳、環保,并且其開啟和關閉能夠更方便地控制,便于自動檢測環境光從而改變亮度;此外,LED的可靠性也更佳,利于降低維護成本及總體擁有成本。
一、LED區域照明應用要求
LED驅動器的主要功能就是在多種條件下限流,并要保護LED免受浪涌及其它故障條件影響,以及提供某種等級的安全性,避免(電氣和/或機械方式的)震動及著火。對于區域照明應用而言,室外環境會給LED驅動器帶來溫度挑戰,且可能需要承受277Vac、347Vac或者甚至480Vac等比標準電壓更高的交流輸入電壓。
區域照明應用的LED驅動器可能還需要符合某些有關功率因數或諧波含量的規范標準。如歐盟的國際電工聯盟(IEC)的IEC61000-3-2標準對功率超過25W的照明設備(C類)的諧波含量提出了要求,相當于總諧波失真(THD)低于35%;但符合IEC61000-3-2C類諧波含量要求并不必然表示功率因數(PF)高于0.9。而某些市場(如美國)通常要求PF高于0.9及THD低于20%。
很多區域照明應用都在室外,可能會經受各種嚴格溫度條件,從而使總體使用壽命受到影響。而總體系統設計對使用壽命有重要影響,故使用內部發熱較少、損耗更低的高能效LED驅動器非常重要,而且在設計中要對驅動器與LED熱源進行熱隔離,從而增強系統可靠性。
圖1智能雙亮度等級LED街道照明示例
LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統街燈以定時器或環境光傳感器來自主控制。而利用電力線通信(PLC)或無線控制技術,可以提供高度靈活的LED區域照明控制,如基于時間的光輸出等級集中控制、基于車流量傳感器的發光等級控制,以及根據檢測人、車活動來調控市中心照明,兼顧步行車及街道照明。LED智能控制技術在節省電能之余,還不會損及安全性。典型應用有如智能雙亮度等級照明,如公園、加油站頂棚、停車場所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據需要來調整亮度等級的照明。LED能夠即時導通及關閉,能夠在這些應用中方便地根據動作或活動來調節照明等級,如在未檢測到活動時提供20%-40%的亮度等級,而在檢測到活動時提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節省額外的電能消耗。
二、LED區域照明電源架構及典型LED驅動方案
1)適合線性燈、線槽燈等應用的分布式/模塊化方案
大功率LED區域照明應用中,一種常見的電源架構是功率因數校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)的三段式架構。這種架構中,交流輸入電源經過功率因數校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉換后,輸出24至80Vdc的固定電壓,提供給后面內置DC-DC降壓轉換電路的恒流LED模塊(見圖2)。這種架構的設計提供了能夠現場升級的模塊化途徑,可根據實際需求,靈活改變LED光條數量,從而增加或減小光輸出,滿足具體區域照明應用要求。這種架構下,交流-直流(AC-DC)轉換與LED驅動電路并未集成在一起,而是采用分布式配置,既簡化安全考慮又增強系統靈活性,也稱作分布式方案,典型應用包括線性燈及線槽燈等。
圖2典型的模塊化LED區域照明電源架構示意圖
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