高效率的LED照明电源规划

开始的商业运用出现在上世纪七十年代，但因其光输出极低，运用规模也仅限于指示灯和计算器显示屏等范畴。现在，能够发生白光的高功率LED在功率方面不断得以进步，价格也在逐年下降，因而它已成为干流照明运用值得考虑的挑选之一。估计跟着LED技能的开展，到2012年其发光功率将到达150流明/瓦，1000流明的本钱将缺乏5美元(材料来历：OIDA)，到时LED有望成为室内照明的首要来历。

正是因为认识到运用LED来完成规范灯泡替换的方针是彻底可行的，也为了往削减住所、作业场所、工厂和市政修建中照明动力耗费的道路上迈出十分重要的一步，美国国会专门设立了一项1,000万美元的巨额大奖，用来奖赏第一家开宣布60瓦白炽灯替换灯具(在规范 A19灯泡中运用LED)的公司或许个人。该奖项是“点亮明日照明奖”(Bright Tomorrow LighTIng Prizes)的分项奖，而“点亮明日照明奖”正是最近刚成为美国正式法令的《动力独立和安全法案》的组成部分。该奖项一旦落定，美国政府收购作业室就有必要收购此类LED灯泡并在一切政府作业场所中运用。照明工程师社区 不过，要想摘取该奖项，规划有必要到达以下条件：灯泡有必要能够发生900流明的光；功耗低于10瓦(发光功率大于90流明/瓦)；相对色温(CCT)有必要介于2750K至3000K之间；预期作业寿数要到达25,000小时以上，且流明坚持率为70%；灯泡有必要能批量生产和很多出售。

因而，有意比赛此奖项的规划工程师所面对的首要问题是，规划出的电源有必要能高功率地驱动LED，使之到达所需的亮度，并且在满意EMC法规要求的搭档，电路板的体积要满意小，以便装入一般灯具。因为有必要在LED技能、规划和完成方面获得重大突破，所以无论谁成为1000万大奖的终究得主，都将名副其实。LED目前所到达的最高发光功率大约为75流明/瓦，但LED制造商正在获得很大发展，一旦LED的发光功率到达100流明/瓦的水平，LED灯将能完成90流明/瓦的方针。但是，这仍要运用能效为90%、十分紧凑的电源。

公司现在能够规划出能够装入灯泡外壳的电源计划，其能效超越90%，本钱低且合适很多生产。本文评论的一款依据Power IntegraTIons公司的LNK306PN的10W电源规划简略、本钱低，不只其作业功率高达91%以上，能供给稳定的LED电流，并且能满意EMI要求。

高效电源是成功开发白炽灯替换计划的必要要素，但首要会面对散热问题。例如，功率为70%的电源会将30%的电能转换为热能，除非将热量散宣布去，不然灯泡温度的连续上升将会大幅下降LED和电源的运用寿数。更重要的是，运用高效电源是尽量削减所谓的“照明总本钱”的一个基本要求。照明总本钱包含灯泡(以及替换灯泡)的初始本钱和耗费电能的本钱构成。假如LED灯制造商期望在LED灯市场上占取必定比例，他们就有必要证明其LED灯与同类产品比较具有较低的整体本钱。如图1所示，即便LED的电源功率进步1%，节能作用也十分显着。

图1：LED的电源功率即便进步1%，也会带来十分显着的节能作用。

假如电源功率进步1%，10W LED灯(相当于60W白炽灯)将节约0.42美元的电费。因而，假如电源功率进步10%，则一个1,000流明LED灯在其作业寿数期间所节约的总本钱将抵消其初始本钱，这样LED灯的“照明总本钱”就会低于白炽灯的“照明总本钱”。

下文描绘的电源规划选用了最少的元件数量，但在一切作业条件下的功率均超越90%。优化电功率的简略办法是尽量进步电压和下降电流。为完成这个方针，需求串联衔接LED，并运用70V/135mA的降压式电源(图2)。此规划大约需求20个LED。不过，假如运用很多的低电流LED而不是少数的高电流器材，将改进光在一切方向上的传达作用，并使任何一个LED的功率耗费坚持在较低的可控水平，然后下降灯的温升，以延伸灯的运用寿数并进步发光功率。

图2：驱动LED阵列的70V、9W恒流降压式转换器电路图。

该电源规划在低压侧降压式装备中选用了一个LinkSwitch-TN器材，能够在90~132V的AC输入电压下供给130mA稳定电流和70V直流输出电压。(这个电源十分合适驱动有必要选用恒流而不是恒压驱动的LED。)

在这个电源规划中，在输入端进行滤波可削减传导EMI，全波整流器将在C2上生成直流电压。负载J2、电感L2和开关操控器U1串联衔接在一起。LinkSwitch-TN器材(U1)在单片IC上集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、简略的开/关操控电路、高压开关电流源、频率抖动电路、逐周期限流器以及热关断电路。

经过LinkSwitch-TN的开关操控电路能够坚持输出稳压，然后能够依据电压改变和负载情况对开关周期进行使能和制止(越过)。在正常作业期间，假如从光耦合器U2的晶体管馈入反应(FB)引脚的电流超越49μA，则将越过整个开关周期。每个导通周期开端时FB引脚进行采样，以确认是否要越过该周期。

在U1导通期间，电流流经电容C4、负载(70V LED串)以及电感L2。除了向负载供给一部分能量外，该电流还使L2贮存必定能量。在U1关断期间，L2的极性反向，以企图坚持电流。反向极性为续流二极管D5供给前向偏置，以坚持电流活动并继续为C4和负载供给能量。电阻R4被用作电流检测元件，R4上的电压还会出现在R3和光耦二极管U2A之间，以便为U1供给电流操控反应。

该电源不只能满意EN55022B对传导EMI的约束(EMI裕量大于10dBμV)，还能够在整个作业电压规模内到达90%以上的功率(图3)。220V输入电压电源也具有相似功能。

图3：功率随输入电压的改变曲线。

跟着未来LED功率的进步，这个电源规划答应规划工程师完成用来替换白炽灯、输入功率仅为10W而能为LED供给9W功率的LED灯具。一旦输出功率为100流明/瓦的LED完成量产，美国国会的此项大奖垂手可得