优化LED照明的应用设计
2022-07-04

  LED照明正在成为业界的首选技术,尤其适用于环境条件恶劣的场 合。LED解决方案具有稳健性,并且从不会完全失效。然而,其光强度确实会随时间而减弱。在测量LED光输出并调整电源以便在灯泡的整个寿命期间保持恒定 光输出的场合,采用自动减低亮度的方法是非常有益的。这样可以大大延长灯泡的使用寿命,并在灯泡制造状况变更下保持稳定的亮度。本文给出了用于街道、办公 室和工厂照明,使用各种传感器技术工作的电路示例。

  系统级生态设计(ecodesign)的新途径

  就生态设计而言,对于给定的应用,延长使用寿命永远是人们所希望的,因为它与生态影响(ecological)直接相关。这不像说起来那么容易,因为创新 永不停止。需要考虑新的标准和新的应用可能,并且需要实现新功能。重要的是不要仅仅执行最低标准,还要构建抢得先机具有许多新功能的“更好的”产品,并且 获得一定的灵活性。“火星漫游车”就是一个很好的例子,大量的技术支持帮助实施了这项计划,并且发射时间较原定计划大大提前。

  重要的是不仅具备灵活性,而且LED的使用寿命也要具备维持如此长时间的工作潜力。在此,需要考虑三类影响:快速变化的影响(例如开机电流)、缓慢变化的影响(例如参数漂移)以及外部影响。

  对于所有应用而言,开机电流是一种重要的应力。电源中存在着可能造成这种应力的大总线电容。此外,上电时的不明确状态可能给应用带来应力。为了避免这些状 况,应该在整个设计阶段使用失效模式与影响分析(FMEA)对电路性能进行仔细的分析。在完成的应用中,重要的是检验开机和关机过程中的电流和温度。在设 计阶段,它们可能未被认知,而在后期造成现场故障。

  此图显示了由开机电流引起的某电源输入桥式整流器的温度变化,这时其它元件处于比较冷状态,整流器的温度升高了很多,可能影响其使用寿命。

  

  许多二、三十年前开发的应用拥有能避免漂移所引发故障的电路技术。由于那时使用的许多元件具有较大的公差水平和更大的漂移,所以开发了对元件特性依赖较少 的电路。为了延长一项应用产品的使用寿命,许多这类技术不在如今的生态设计的考虑之列。这就增加了的复杂性,使得元件数目增加。电子线路的生态影 响通常低于工作能耗所引起的影响,所延长的使用寿命可以弥补增加的复杂性。

  功率电子是所有应用和产品的一个重要部分,也更在生态设计的考虑之中,因为子系统通过效率等特性影响到生态效应。例如,较低的效率意味着一项应用产品需要 采用较大的散热片,从而在生产和应用过程中消耗更多的能量,并需要使用更多的能量进行运输和回收。因此,建议设计人员考虑达到最高效率和宽输入电压范围, 以便使用较少的元件,获得最大的灵活性,因为这个部分以后不能改动(例如:通过软件更改)。

  在照明应用中,使用LED解决方案是大势所趋。除了具有更高的效率之外,LED本身具有很长的使用寿命,LED驱动电子装置在设计上应该最大限度地利用LED的长使用寿命。以下是这种照明方案的示意图:

  

  街灯照明是这类照明方案的一个特殊实例,没有其它哪种照明应用结合了如此多的要求,这些要求并不总是趋于融合。温度、湿度以及振动等不断变化的环境 因素,以及高效率、高可靠性和低能耗需求,都成为照明解决方的考虑因素,同时还要考虑大批量生产和承受相应的价格压力。随着灯对电能的消耗,温度会从 -40°C大幅上升至85°C。重要的是必须注意到,每个开关(每日)循环会引发一次温度循环。这意味着在系统层面上,五年中灯泡会有接近2000次温度 循环,这给系统带来了很大的应力。

  由于街灯照明的成本是城镇预算的一个重要部分,人们特别关注高效率,以期帮助降低街灯的运作成本。目标是使用尽可能少的电能来达到街道或人行道所需的发光度水平。这不包括维护成本,对于使用寿命较短的灯炮,其维护成本也很可观。

  粗略估算一定人口使用街灯数量的方法,是按照每六个居民一盏街灯的比例来计算。按照这一比例,德国大约有1330万盏街灯—— 节能的潜力非常巨大。因此,许多城市和社区转而使用这些新型LED照明方案也就不足为奇了,或者更换整个灯泡,或者更换灯头。

  

  对路灯的预防性维护

  

  面对所有这些要求,这种电源的设计很复杂,但并不是不可能。上图的左侧是输入滤波器和桥式整流器的示例,后面跟着一个有些与众不同的电路,其中反激电路使 用了一个BCM-PFC-控制器。通常,电源周期内开关频率要发生变化,以保持输出电压的恒定。此处,使用振荡器(带Q102的电路)维持恒定的开关频 率,从而在整个电源周期内维持一种恒定的占空比。可以改变占空比(虽然以极低的速度),以便调整输出电流。这不会产生问题,因为LED不是动态负载。借助 这种改变,输入电流将与输入电压对应,转换器将恒定工作于DCM模式,获得非常好的功率因数。

  

  该图显示整个电源周期内初级端(蓝色)和次级端(棕色)的电流。很明显,电流的峰值呈正弦形包络,这使其能够在使用小输入电容时,仍然获得好的功率因数和低传导辐射。

  该电路能够在不使用额外PFC电路的情况下获得好的功率因数。缺点是在双倍电网频率下,次级端的纹波电流很大,但对于LED照明而言,这不会成为缺点,因为人眼对100Hz的闪烁是不敏感的。

  在次级端,利用一个电路将输出电流(用分流电阻测量)转换成初级端调节器的反馈信号,以获得驱动LED的电流输出。这里,对平均输出电流进行调节,因为反 馈回路必须缓慢,以便在输入端获得好的功率因数。另一个优点是使用金属箔电容作为输入电容,其小尺寸减小了对空间的要求,并显著提高了寿命。

  LED灯的寿命还由LED的亮度漂移决定。例如,OSRAM公司的“金龙+”LED灯的平均寿命为45000小时 (焊接点温度85°C,以0.7A电流连续工作)。其可分成四个阶段,第一个阶段是能够向上或向下的相对快速漂移的阶段,接下来是反射器老化阶段,然后是 LED仅有微小漂移的较长阶段,最后是灯寿命漂移真正终止的阶段,在这个阶段中,亮度持续降低。

  LED的失效不会是灾难性的,但是在到达额定寿命期时,其亮度下降到70%。灯将随时间的推移持续变暗。在某些应用中,这不是问题,但对于其他一些有标准和规范要求亮度恒定的应用中,这种情况是不能被接受的。

  与使用高压钠灯的普通路灯相比,LED灯更加耐用,并具有更长的寿命。不过仍有进一步提升的可能性。为了延长寿命,并减小设计对环境的影响,可以使用亮度传感器来调节亮度,并在寿命期内获得恒定的发光度。

  下图为用于大功率LED调光的次级端恒流控制电路的示例:

  

  为了在不改变颜色的情况下改变LED的亮度,使用了脉宽调制方案。为此,在电路的输入端施加一个方波信号。当电压高于1V时,调节器禁用,LED串 内没有电流流过。电压很低时,IC的输入节点会承担分流电阻反映出的电压,有效地接通电流控制,并使LED串在这种恒定电流下工作。这将产生恒流脉冲,紧 接着是暂停,即无电流流过。这样将会在不改变颜色的情况下调节LED的亮度。结合上面的PFC反激式电路,重要的是要使用一种不会与电网频率产生可见拍频 频率的PWM调制信号。

  实现亮度传感器的方法有很多种。例如可使用光敏晶体管或者光敏二极管,但它们需要部分模拟电路,以便使它们的信号适用于调节。还有一种许多商用亮度传感器 都在使用的标准化模拟接口,其控制电压范围为0至10V。在噪声较大的环境中,信号也以用电流环路传送,例如:以0至20mA电流工作。此外,在传感器或 者传感器阵列与中央控制器相结合的地方可以使用数字接口来实现亮度调节,甚至实现冗余工作,比如可以对一些出现故障的灯进行补偿。这一点尤其有利于不便更 换灯的环境,例如:在半导体生产厂内。

  利用这样的中央控制器和灯,调节和接通操作不会对灯的寿命产生负面影响,还能够实现更多的功能,比如根据用户在场与否进行调节、环境光调节、遥控(通过电话或短信)开灯关灯等。

  结论

  在早期,LED照明解决方案的光输出低,可靠性也较差,这些缺点阻碍了它的普及。但是,随后这些问题被克服,LED照明解决方案得到了越来越广泛的应用。现在,随着控制电路和应用的不断开发,LED的长寿命特性开始大有用武之地,它的环保优势终于被充分显现出来。

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