5月《綠色照明技術特刊》火熱下載中，缺你怎可！

　　在過去的一百年中，白熾燈一直是我們日常生活的一部分。關于它，我們并沒有想過太多。按動開關，黑暗即會變成光明。如今這項不起眼的偉大發明卻正面臨著淘汰，因為全球政府法規強制要求提高照明設備的能源效率。在白熾燈中，只有不到 10％ 的輸入功率才能被真正轉化成可見光。其余則被轉化成不可見的紅外線和熱能。

　　在美國，傳統的 100W 和 75W 白熾燈已很少見，60W 和 40W 的白熾燈也將在今年逐漸停售。鹵素燈、緊湊型熒光燈 （CFL） 和 LED 燈等技術產品均爭先恐后要取代白熾燈。其中，鹵素燈和 CFL 已被使用了一段時間，LED 照明設備則只是在最近五年才因技術效率顯著提高而變得非常實用。發光效率被定義為光通量（流明或 lm）與輸入功率（瓦特或 W）的比率或寫做lm/W。與汽車燃油經濟性類似，它是對一種光源發光效率的計量。表 1展示了相當于 60W 的常見光源的比較情況。

　　表 1. 各種光源的發光效率比較。

　　圖 1.進入燈具（帶或不帶 TRIAC 調光器）的 AC 電壓和電流。

　　顯然，CFL 與 LED 都是高效光源的上好選擇，而以現在的市場價格看，CFL 似乎最經濟劃算。但是 CFL 存在一些環保問題，因為它們含有微量的汞，需要特殊的處理方法。此外，安裝標準 TRIAC 調光器后 CFL 的調光效果通常（或根本）不佳。公平地說，早期的 LED 燈具并非十全十美。有些產品發出的光不夠柔和悅目，有些使用壽命沒有廣告上說的那么長，還有些調光效果不太好。不過，目前這已在很大程度上得到了改進，因為燈具制造商和電子產品供應商為了達到能源之星 （EnergyStar） 標準，已解決了許多這樣的問題。

　　那么，為什么 LED 燈具還那么貴呢？和任何新技術一樣，初始成本往往很高，但隨著商品化程度的提升，成本就會迅速降低。白熾燈已經存在了 100 多年，而照明級 LED 問世尚不足 10 年。雖然白熾燈和 LED 燈的外觀可能相似，但它們的內部卻有很大的不同。白熾燈將燈絲通電產生光。燈絲是電阻性負載，加熱到白熾狀態即可產生可見光。當 P = I2R 時，增加或減少到燈絲的 RMS 電流就可以增加或減少亮度，從而形成了一個非常簡單的光源，該光源的亮度很容易通過簡單的相位切換技術（如 TRIAC 調光器采用的技術）進行控制。

　　另一方面，LED 燈則是包含電子和機械零部件的一個復雜組合：LED、光擴散板、散熱片和一個開關模式的電源 （SMPS），該電源可將 50Hz 至 60Hz 的交流電 （AC） 轉換成適合 LED 使用的恒定直流電 （DC）。無需多費腦筋就能想到這會比白熾燈更貴 —— 而且貴得多。

　　當前的挑戰是如何在不影響質量的前提下降低 LED 燈具的生產成本。LED 組件制造商正在盡自己的一份力量。每一代新型 LED 芯片的出現都使 LED 的發光效率有所提高。與此同時，LED 芯片的價格卻在下降。更低的功耗即可發出同樣的光量，這意味著 LED 中被轉化成熱量浪費掉的能量減少了。次要影響是，更高效的 LED 還可降低散熱要求，減小燈具內熱管理所需的導熱材料體積。更少的材料意味著更少的成本。最后是 LED 燈具電子產品。而今，要把電源 AC 電流轉化為 LED 所需要的恒定 DC 電流，可用 SMPS 來實現。常見的拓撲結構有反激式結構和降壓式機構。圖 2 展示了一個簡化的降壓 SMPS。基本元件包括：一個整流器、能量緩沖級器件、一個電感器、一個 MOSFET 和一個由脈沖寬度調制器 （PWM） 組成的 IC。對于低功率級應用，可將 PWM 和 MOSFET 組合成一個單一的 IC 封裝，以減小體積從而節省空間。為基于 LED 的燈具設計一個合適的 SMPS 要考慮的一些因素包括：功率因數 （PF）、低總諧波失真 （THD）、低電磁干擾 （EMI） 和相位調光能力。

　　圖 2：AC/DC 降壓式 LED 驅動器。

　　制作與傳統墻壁調光器兼容的 LED 燈具大大增加了復雜性。在 LED 燈具出現及被使用之前，很少有 SMPS 需要在比其額定 AC 電壓低10％ 至 20％ 以上的條件下工作。但在可調光 LED 燈具中，SMPS 的工作電壓范圍則要從接近零電壓直到全電壓，并且要模仿傳統白熾燈所出現的亮度變化來工作。這些挑戰是許多應用手冊、文章和會議論文的主題。但從根本上說，該問題可概括為如何用類似電阻的電子元件解決方案取代電阻式燈絲。

　　高壓 LED 串的開關控制型 AC 直接驅動器很容易實現這一目標，并且體現了一款新型高電壓開關（適用于 LED 的 AC 直接驅動器）背后的理念。德州儀器 （TI） 的 TPS92411 高壓開關為 LED 加設旁路或串聯 LED，以應對整流后的 AC 在半個周期內的上升或下降情況。它們與線路調制恒流線性穩壓器并聯運行，以產生近似正弦的輸入電流波形 —— 就像一個電阻器。當AC 電流隨著線路電壓發生相位變化時，低 THD 和高 PF 都可得到確保。

　　在一個典型的實施方案中，開關和 LED 段以二進制方式運行，隨 AC 電壓向上或向下計數。例如，一個 120VRMS 的應用可包括 20V、40V、和 80V 的 LED 堆棧。LED 的總電壓和線路峰值之間的差是余量，該余量將由線性穩壓器進行管理。

　　當 AC 電壓為 0V 時，所有開關都是關閉的，并提供電源和線性穩壓器之間的直接連接。當 AC 電壓從 0V 增加至大約 20V 時，需要額外上升幾伏以保持線性穩壓器的穩定，20V 的開關打開。此時 AC 電流流經 20V 的 LED 串，同時為其儲能電容器充電。當 AC 線路電壓上升到 40V 加上線路余量時，LED 第一段上的開關重新關閉，LED 第二段上的開關打開。像以前一樣，40V 的 LED 堆棧使 AC 電流得到應用，其存儲電容器進行充電。

　　不過，當第一段上的開關關閉后，LED 的電流仍會繼續從與其相關的存儲電容器流出。計數序列繼續，當 AC 線路達到峰值時，得出的二進制最終結果是七 （111）；隨后，計數結果在下個零交點處回落到零。壓擺率控制可保證每個開關的關閉速度是其打開速度的兩倍，以確保能與 TRIAC 調光器一起正常工作。TPS92411 元件在低頻 （《1kHz） 時開關，整個解決方案采用無磁性元件。EMI 濾波僅僅需要一個單一的電容器。系統效率取決于 LED 的累計值、所用 TPS92411 開關的數量以及在最小和最大線路電壓時線性穩壓器的余量。

　　圖 3：采用 TPS92411 高壓開關的開關控制型 AC 直接驅動器。

　　與適合 LED 燈具的傳統 SMPS 方法相比，開關控制型直接驅動器實施方案可提供類似優勢并減少挑戰。

　　結論

　　人們很容易忘記白熾燈是一項不完美的發明（在長達幾十年的時間段內，曾對這項發明進行了諸多改進）。LED 照明設備正處于起步階段。唯一可確定的是，LED 的發光效率將提高，驅動 LED 所需的電子產品將更簡化。與現在 SMPS LED 燈具驅動器的方法相比，開關控制型 AC 直接驅動器可提供節約成本的實用型優勢。它使 LED 負載出現電阻性，就像常規燈泡中的燈絲一樣，這樣，采用傳統墻壁調光器時就可從根本上實現良好的調光效果。事實上，燈泡可能只是經歷了一個輪回。

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