近年來，隨著LED燈具的出現(xiàn)，照明領域發(fā)生了革命性的變化。在歐洲和美國的零售商店，古老的白熾燈泡已難覓蹤跡，甚至禁止銷售。而在替代燈具市場，低功耗的緊湊型熒光燈（CFL）現(xiàn)在面臨著新的競爭對手。LED技術正在不斷改進，LED燈具在亮度和功率方面日益強大。這些特性再加上其特有的高能效，使LED燈具成為照明的理想選擇。
一般白熾燈泡每瓦能產(chǎn)生10流明，而LED制造商宣稱LED燈具每瓦最高可達到100流明。然而，外形和最高工作溫度的局限使得LED難以發(fā)揮全部潛力。目前性能最好的LED替代燈具，效率可達到每瓦50-60流明。因此，LED燈具在效率標準方面與CFL燈具已經(jīng)難分伯仲（注：CFL燈的效率范圍為每瓦60-70流明，且改進潛力有限）。
生態(tài)問題也日益受到公眾關注。隨著人們對全球變暖和氣候變化等環(huán)境問題的意識不斷提高，節(jié)約資源和能源的理念正成為很多市場營銷策略的要點。 過去10年間汽車油耗的降低和白熾燈的禁用很好地說明了這一趨勢。全球多國政府已經(jīng)制定白熾燈淘汰的時間表。還有一些公共政策專門為節(jié)能環(huán)保的“生態(tài)”產(chǎn)品提供寬松的稅收支持或其他財務幫助。
LED的內(nèi)在優(yōu)勢非常符合公眾對安全、節(jié)能和環(huán)保照明解決方案的熱切期盼。LED還有許多其他優(yōu)點，如較高的調(diào)光能力、較長的使用壽命和較小的外形尺寸，在外形、顏色、壽命和成本方面打開了方便之門。
采用在機械、光、電和熱等各方面都兼容的LED照明解決方案替代傳統(tǒng)的照明源（熒光燈、CFL節(jié)能燈、鹵素燈或其它白熾燈）是一場正在發(fā)生的工業(yè)變革。商務、辦公和住宅照明市場呼喚高質(zhì)量的LED改良燈具。盡管成本問題仍然是這些解決方案的主要障礙，但同時還需要注意以下技術問題：
[1].與現(xiàn)有基礎設施的電氣兼容性，特別在使用標準入墻式插座調(diào)光器時。
[2].外形須采用螺口型式
[3].必須解決LED的散熱問題
1.1 調(diào)光器的兼容性
目前，家庭、旅館和辦公場所照明燈具的控制設備都是針對白熾燈設計安裝的。提供調(diào)光功能的最好方法是使用“市電切相”調(diào)光器。這種調(diào)光器原理上是為白熾燈供電而開發(fā)的。從電學方面看，白熾燈可視為一個電阻性負載。
而電子照明源（如CFL節(jié)能燈或LED燈）的電氣等效負載則不再是純阻性負載。這樣在調(diào)光器工作方式上就產(chǎn)生了很大的不同。負載使用不當會導致系統(tǒng)功能失常，可能出現(xiàn)令人非常不舒服的閃爍、甚至損壞燈具或調(diào)光器。這樣可能引起用戶不滿，從而推遲采用LED解決方案。目前，調(diào)光器仍然價格昂貴且難以安裝。因此，推出兼容現(xiàn)有調(diào)光器的優(yōu)質(zhì)解決方案成為兌現(xiàn)LED照明推廣承諾的必然。
切相調(diào)光器雖然類型各異，但是工作原理基本相同（即在每個周期切掉部分電源正弦波）。這可以通過開關來實現(xiàn)。開關接通時，電源就輸送到負載（燈泡）。開關斷開時，則不供電。通過調(diào)節(jié)開關導通時間，就可以調(diào)節(jié)供給負載的總能量。
近年來，隨著LED燈具的出現(xiàn)，照明領域發(fā)生了革命性的變化。在歐洲和美國的零售商店，古老的白熾燈泡已難覓蹤跡，甚至禁止銷售。而在替代燈具市場，低功耗的緊湊型熒光燈（CFL）現(xiàn)在面臨著新的競爭對手。LED技術正在不斷改進，LED燈具在亮度和功率方面日益強大。這些特性再加上其特有的高能效，使LED燈具成為照明的理想選擇。
一般白熾燈泡每瓦能產(chǎn)生10流明，而LED制造商宣稱LED燈具每瓦最高可達到100流明。然而，外形和最高工作溫度的局限使得LED難以發(fā)揮全部潛力。目前性能最好的LED替代燈具，效率可達到每瓦50-60流明。因此，LED燈具在效率標準方面與CFL燈具已經(jīng)難分伯仲（注：CFL燈的效率范圍為每瓦60-70流明，且改進潛力有限）。
生態(tài)問題也日益受到公眾關注。隨著人們對全球變暖和氣候變化等環(huán)境問題的意識不斷提高，節(jié)約資源和能源的理念正成為很多市場營銷策略的要點。 過去10年間汽車油耗的降低和白熾燈的禁用很好地說明了這一趨勢。全球多國政府已經(jīng)制定白熾燈淘汰的時間表。還有一些公共政策專門為節(jié)能環(huán)保的“生態(tài)”產(chǎn)品提供寬松的稅收支持或其他財務幫助。
LED的內(nèi)在優(yōu)勢非常符合公眾對安全、節(jié)能和環(huán)保照明解決方案的熱切期盼。LED還有許多其他優(yōu)點，如較高的調(diào)光能力、較長的使用壽命和較小的外形尺寸，在外形、顏色、壽命和成本方面打開了方便之門。
采用在機械、光、電和熱等各方面都兼容的LED照明解決方案替代傳統(tǒng)的照明源（熒光燈、CFL節(jié)能燈、鹵素燈或其它白熾燈）是一場正在發(fā)生的工業(yè)變革。商務、辦公和住宅照明市場呼喚高質(zhì)量的LED改良燈具。盡管成本問題仍然是這些解決方案的主要障礙，但同時還需要注意以下技術問題：
[1].與現(xiàn)有基礎設施的電氣兼容性，特別在使用標準入墻式插座調(diào)光器時。
[2].外形須采用螺口型式
[3].必須解決LED的散熱問題
1.1 調(diào)光器的兼容性
目前，家庭、旅館和辦公場所照明燈具的控制設備都是針對白熾燈設計安裝的。提供調(diào)光功能的最好方法是使用“市電切相”調(diào)光器。這種調(diào)光器原理上是為白熾燈供電而開發(fā)的。從電學方面看，白熾燈可視為一個電阻性負載。
而電子照明源（如CFL節(jié)能燈或LED燈）的電氣等效負載則不再是純阻性負載。這樣在調(diào)光器工作方式上就產(chǎn)生了很大的不同。負載使用不當會導致系統(tǒng)功能失常，可能出現(xiàn)令人非常不舒服的閃爍、甚至損壞燈具或調(diào)光器。這樣可能引起用戶不滿，從而推遲采用LED解決方案。目前，調(diào)光器仍然價格昂貴且難以安裝。因此，推出兼容現(xiàn)有調(diào)光器的優(yōu)質(zhì)解決方案成為兌現(xiàn)LED照明推廣承諾的必然。
切相調(diào)光器雖然類型各異，但是工作原理基本相同（即在每個周期切掉部分電源正弦波）。這可以通過開關來實現(xiàn)。開關接通時，電源就輸送到負載（燈泡）。開關斷開時，則不供電。通過調(diào)節(jié)開關導通時間，就可以調(diào)節(jié)供給負載的總能量。
調(diào)光器分為兩類：前沿切相型和后沿切相型。
[1].前沿切相調(diào)光器，就是在電源半周期開始時切相。經(jīng)過了與調(diào)光位置相對應的一段時間后，開關才導通為負載供電直至半周期結(jié)束。經(jīng)過零點后，重復相同操作。
[2].后沿切相調(diào)光器，就是開關在半周期開始時導通，經(jīng)過與調(diào)光位置相對應的一段時間后斷開，并將斷開狀態(tài)保持至半周期結(jié)束。經(jīng)過零點后，重復相同操作。
要完成切相，主要使用兩個技術：TRIAC（雙向可控硅）開關或晶體管開關。TRIAC調(diào)光器多為前沿切相調(diào)光器。晶體管開關既可以是前沿切相調(diào)光器也可以是后沿切相調(diào)光器。TRIAC調(diào)光器的問題是它需要滿足特殊的條件才能正常工作：TRIAC可以通過觸發(fā)柵極來打開，一旦觸發(fā)，仍需要一個最小的電流來維持其處于導通狀態(tài)。這個觸發(fā)電流被稱為“閂鎖電流”，而且為了保持TRIAC導通，電流必須加載一段時間。 一旦器件被閂鎖，必須有持續(xù)的電流供應。這個電流被稱為“保持電流”。如果這個電流斷開或減弱，TRIAC將關斷。 為了兼容調(diào)光器，LED燈具必須吸收調(diào)光器所需的保持電流。例如，如果一只6W的LED燈（大致相當于40W的白熾燈泡）要與一個最小負載為10W的調(diào)光器配合使用，就需要一些額外電路來提供足夠的保持電流。在這種情況下，燈泡效率會降低，但與40W相比仍然是高效率。如果沒有這個電路，LED燈則無法正常工作。不同調(diào)光器的保持電流有所不同。 因此，額外損耗越大，與調(diào)光器的兼容性就越好。可調(diào)光應用的設計難點就在于找到燈具效率和調(diào)光器兼容性之間的最佳權(quán)衡。
恩智浦的SSL2101（及其衍生產(chǎn)品SSL2102）有兩個由IC控制的集成泄放開關。通過外接電阻，可以設置兩個不同的泄放電流。IC為電流選擇提供了更大的靈活性，并優(yōu)化了調(diào)光器兼容性。SSL2103（SSL2101的僅控制器集成版本）中則去掉了集成的泄放開關，但可以用低成本的外部雙極型開關（仍由IC驅(qū)動）代替，可選擇提供更高的泄放電流。同時，該版本還移除用于轉(zhuǎn)換器操作的內(nèi)置MOSFET，但可以進行外部修正，從而形成滿足特定調(diào)節(jié)要求的解決方案。
1.2 選擇外形尺寸與拓撲結(jié)構(gòu)的關系
LED燈具本質(zhì)上屬于電流驅(qū)動型。它們的發(fā)光強度大致與通過電流成正比。因此，可以采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)使用市電來驅(qū)動。拓撲結(jié)構(gòu)選擇的關鍵目標之一是確定最終應用的外形尺寸。小于15W的低功率LED燈主要針對現(xiàn)有燈具的改良應用。這意味著燈泡的形狀必須與現(xiàn)有傳統(tǒng)燈具相近。 目前市售產(chǎn)品主要采用下面三種拓撲結(jié)構(gòu)：
1.2.1 LED與電阻串聯(lián)
LED與電阻串聯(lián)，電阻與市電直接相連。這種拓撲最簡單。只要電源電壓高于二極管正向電壓之和，LED即導通。LED的最大電流由電阻值決定：
其中n是LED的數(shù)量， Vf是其正向電壓。
這個解決方案簡單但效率不高。例如，一個12W的應用，其LED的最大電流可能達500 mA。總正向電壓將為24V。對于220V的交流市電，所需電阻值為574?。這個電阻在電流為500mA時將消耗143W功率。當然，我們可以考慮使用低電流二極管，但達到相同功率所需的Vf更高。這樣做的直接后果是，開啟時間大幅縮短，且會出現(xiàn)閃爍。
1.2.2 降壓式拓撲
[2] 降壓式拓撲是最高效的拓撲結(jié)構(gòu)之一。其基本原理如圖5所示。
圖5 降壓式拓撲結(jié)構(gòu)原理
當開關接通時，電流流過LED線圈并發(fā)光。為了控制電流值，一個傳感器電阻與地串聯(lián)。通過檢測該電阻上的電壓，當其達到過流保護（OCP）值時，開關會斷開。線圈中存儲的能量則通過續(xù)流二極管和LED釋放。
這種拓撲有兩大優(yōu)點：
[1].首先是效率非常高，特別是低功率應用時（小于10W）。使用這種拓撲的LED普通照明燈通常宣稱其效率高于90%。
[2].第二個優(yōu)點是外形尺寸。總體外形尺寸對于燈具改良市場非常重要，因為最終的產(chǎn)品外形必須與傳統(tǒng)白熾燈或鹵素燈產(chǎn)品相近。降壓式拓撲不使用變壓器或光耦器件，因此線圈相對較小，特別在開關頻率相對較高時尤其如此。
這種拓撲也有兩個主要缺點
[1].這種拓撲的主要缺點是不提供任何電氣隔離。考慮到散熱因素，LED通常安裝在金屬散熱器上。這樣，出于安全原因，會強制要求電氣隔離。
[2].第二個缺點是LED與線圈串聯(lián)。這樣就需要在二極管的總正向電壓與轉(zhuǎn)換器的最大損耗之間進行權(quán)衡。如果輸入和輸出之間壓差過大，就會降低效率。
1.2.3 反激拓撲
反激式拓撲結(jié)構(gòu)中，線圈由變壓器代替，LED連接到變壓器的次級端，如圖6所示。
圖 6. 反激式拓撲原理圖
當開關接通時，電流流過變壓器，而變壓器次級端上的二極管處于阻斷狀態(tài)。當開關斷開時，次級端二極管開始導通，電流流過二極管并發(fā)光。
反激式拓撲的主要優(yōu)點是LED與變壓器的次級端相連。由于可以選擇繞線匝數(shù)比，所以不需要在LED的數(shù)量和效率之間進行權(quán)衡。這樣的拓撲結(jié)構(gòu)可以進行電隔離，因而設備的安全性提高了，VCC的產(chǎn)生也更為簡單。還可以給變壓器增加一個輔助繞組線圈，這樣就能為控制器提供電源。
就改良市場而言，這種拓撲主要的缺點是其應用的實際尺寸較大。變壓器（如需反饋則可能添加光耦）占用了大量空間。一些控制器，如SSL210x系列，可以同時兼容降壓式和反激式拓撲。根據(jù)需求不同，如當需要安全性和良好的散熱性能時，可以采用非常緊湊的降壓式應用；如果要求LED功率很高或有電隔離，則可以使用反激式拓撲。為了獲得更小的外形尺寸，SSL2101和SSL2102均集成了功率開關。
1.3 調(diào)光
LED很容易進行調(diào)光。其發(fā)光強度大致與供電電流成正比。只要降低平均電流，發(fā)出的光能就會減少。然而，要設計一個調(diào)光拓撲則比較復雜，需要使用不同的技術，如PWM調(diào)光、調(diào)頻或者I峰值調(diào)制。
[1].使用PWM調(diào)光時，輸送至LED的瞬間電流只有兩個值：0或I最大值
– 當PWM=0時，ILED= 0 A
– 當PWM=1時，ILED = I最大值
通過調(diào)整PWM信號的占空比，可以改變LED平均電流。這種技術要求轉(zhuǎn)換器扮演類似于快速切換電流源的角色。這種技術的目標是容納大電流并保持精確控制。開關損耗可能很高，特別是對于深度調(diào)光。
[2].使用調(diào)頻時，最大LED電流不變，但是轉(zhuǎn)換器的頻率會改變。換言之，轉(zhuǎn)換器每個周期內(nèi)輸送至LED的能量是相同的，但是每秒鐘的周期數(shù)量是變化的。調(diào)頻的問題是在最小頻率變得很低時會產(chǎn)生噪聲，而在最大頻率變得很高時會產(chǎn)生巨大的開關損耗。這些因素會增加深度調(diào)光的難度。
[3].使用I峰值調(diào)制時，控制器頻率是固定的，但電源開關的開啟時間是變化的。因此，LED的最大電流I峰值是變化的。換言之，每秒鐘的周期數(shù)是不變的，但是每個周期輸送至LED的能量會減少。采用該技術進行深度調(diào)光時，要求脈沖必須非常小。由于開關損耗過大，一般不推薦使用這種方式。
一些控制器，如SSL2101及其衍生產(chǎn)品(SSL2102/03)，可以將調(diào)頻和I峰值調(diào)制結(jié)合使用。這樣可以將每種方法的缺點降至最低。在全功率時，可以優(yōu)化開關頻率來限制開關損耗。在調(diào)光狀態(tài)下，同時降低I峰值和頻率可以避免開啟時間過短以及頻率過低。因此，其調(diào)光水平可以低于1%。
1.4 壽命
LED的使用壽命較長是其主要優(yōu)點，其宣稱壽命可達5萬小時。這個值比節(jié)能燈壽命要高出許多，遠遠超過了傳統(tǒng)白熾燈的壽命。然而，LED不能單獨使用（如上所述），需要其他器件提供驅(qū)動。在半導體行業(yè)，壽命測試的標準是1000小時。根據(jù)最終應用的工作溫度不同，也采用一些系數(shù)用于器件壽命的估算。這1000小時的測試不足以確保所估算的壽命，還必須進行加速壽命測試來確保控制器的壽命與LED的壽命相當。
SSL210x系列產(chǎn)品成功通過了結(jié)溫為150？C的8000小時壽命測試。根據(jù)最終應用中實際結(jié)溫不同，估計壽命在115°C時可以達到4.5萬小時，在105°C時可以達到7.5萬小時。這些值足以支持“SSL210x系列產(chǎn)品可與LED同壽”的宣稱。
1.5 結(jié)論
就數(shù)量而言，LED照明燈具目前在普通照明市場上仍然是少數(shù)。然而，隨著市場逐漸升溫，LED解決方案在未來幾年必然逐漸占據(jù)市場主導地位。本文討論了可調(diào)光LED照明應用的幾個方面。降壓式和反激式拓撲結(jié)構(gòu)是兩種常用拓撲結(jié)構(gòu)。降壓式拓撲為低功耗應用提供了非常緊湊和高效的解決方案，而反激式拓撲由于具有內(nèi)部電隔離，對于要求安全和靈活的系統(tǒng)仍然是最佳選擇。 調(diào)光器兼容性和調(diào)光范圍是兩個具有挑戰(zhàn)的特性。圍繞相關問題對各種選擇加以權(quán)衡將是產(chǎn)品成功與否的關鍵。 當前，恩智浦提供的SSL210X系列產(chǎn)品幾乎覆蓋了改良市場可調(diào)光應用的所有可能，因而可以針對每個設計進行優(yōu)化，從而獲得最佳的解決方案。
相關資料下載：可調(diào)光LED燈具設計需要考慮的技術問題