探索LED灯具：过去、现在和未来

在美国，传统的 100W 和 75W 白炽灯已很少见，60W 和 40W 的白炽灯也将在今年逐渐停售。卤素灯、紧凑型荧光灯 (CFL) 和 LED 灯等技术产品均争先恐后要取代白炽灯。其中，卤素灯和 CFL 已被使用了一段时间，LED照明设备则只是在最近五年才因技术效率显著提高而变得非常实用。发光效率被定义为光通量(流明或 lm)与输入功率(瓦特或 W)的比率或写做lm/W。与汽车燃油经济性类似，它是对一种光源发光效率的计量。表 1展示了相当于 60W 的常见光源的比较情况。

表 1. 各种光源的发光效率比较。

图 1.进入灯具(带或不带 TRIAC 调光器)的 AC 电压和电流。

显然，CFL 与 LED 都是高效光源的上好选择，而以现在的市场价格看，CFL 似乎最经济划算。但是 CFL 存在一些环保问题，因为它们含有微量的汞，需要特殊的处理方法。此外，安装标准 TRIAC 调光器后 CFL 的调光效果通常(或根本)不佳。公平地说，早期的 LED 灯具并非十全十美。有些产品发出的光不够柔和悦目，有些使用寿命没有广告上说的那么长，还有些调光效果不太好。不过，目前这已在很大程度上得到了改进，因为灯具制造商和电子产品供应商为了达到能源之星 (EnergyStar) 标准，已解决了许多这样的问题。

那么，为什么 LED灯具还那么贵呢?和任何新技术一样，初始成本往往很高，但随着商品化程度的提升，成本就会迅速降低。白炽灯已经存在了 100 多年，而照明级 LED 问世尚不足 10 年。虽然白炽灯和 LED 灯的外观可能相似，但它们的内部却有很大的不同。白炽灯将灯丝通电产生光。灯丝是电阻性负载，加热到白炽状态即可产生可见光。当 P = I2R 时，增加或减少到灯丝的 RMS 电流就可以增加或减少亮度，从而形成了一个非常简单的光源，该光源的亮度很容易通过简单的相位切换技术(如 TRIAC 调光器采用的技术)进行控制。

另一方面，LED 灯则是包含电子和机械零部件的一个复杂组合：LED、光扩散板、散热片和一个开关模式的电源 (SMPS)，该电源可将 50Hz 至 60Hz 的交流电 (AC) 转换成适合 LED 使用的恒定直流电 (DC)。无需多费脑筋就能想到这会比白炽灯更贵 —— 而且贵得多。

当前的挑战是如何在不影响质量的前提下降低 LED灯具的生产成本。LED 组件制造商正在尽自己的一份力量。每一代新型 LED 芯片的出现都使 LED 的发光效率有所提高。与此同时，LED芯片的价格却在下降。更低的功耗即可发出同样的光量，这意味着 LED 中被转化成热量浪费掉的能量减少了。次要影响是，更高效的 LED 还可降低散热要求，减小灯具内热管理所需的导热材料体积。更少的材料意味着更少的成本。最后是 LED 灯具电子产品。而今，要把电源 AC 电流转化为 LED 所需要的恒定 DC 电流，可用 SMPS 来实现。常见的拓扑结构有反激式结构和降压式机构。图 2 展示了一个简化的降压 SMPS。基本元件包括：一个整流器、能量缓冲级器件、一个电感器、一个 MOSFET 和一个由脉冲宽度调制器 (PWM) 组成的 IC。对于低功率级应用，可将 PWM 和 MOSFET 组合成一个单一的 IC 封装，以减小体积从而节省空间。为基于 LED 的灯具设计一个合适的 SMPS 要考虑的一些因素包括：功率因数 (PF)、低总谐波失真 (THD)、低电磁干扰 (EMI) 和相位调光能力。

图 2：AC/DC 降压式 LED 驱动器。

制作与传统墙壁调光器兼容的 LED 灯具大大增加了复杂性。在 LED 灯具出现及被使用之前，很少有 SMPS 需要在比其额定 AC 电压低10% 至 20% 以上的条件下工作。但在可调 LED灯具中，SMPS 的工作电压范围则要从接近零电压直到全电压，并且要模仿传统白炽灯所出现的亮度变化来工作。这些挑战是许多应用手册、文章和会议论文的主题。但从根本上说，该问题可概括为如何用类似电阻的电子元件解决方案取代电阻式灯丝。

高压 LED 串的开关控制型 AC 直接驱动器很容易实现这一目标，并且体现了一款新型高电压开关(适用于 LED 的 AC 直接驱动器)背后的理念。德州仪器 (TI) 的 TPS92411 高压开关为 LED 加设旁路或串联 LED，以应对整流后的 AC 在半个周期内的上升或下降情况。它们与线路调制恒流线性稳压器并联运行，以产生近似正弦的输入电流波形 —— 就像一个电阻器。当AC 电流随着线路电压发生相位变化时，低 THD 和高 PF 都可得到确保。

在一个典型的实施方案中，开关和 LED 段以二进制方式运行，随 AC 电压向上或向下计数。例如，一个 120VRMS 的应用可包括 20V、40V、和 80V 的 LED 堆栈。LED 的总电压和线路峰值之间的差是余量，该余量将由线性稳压器进行管理。

当 AC 电压为 0V 时，所有开关都是关闭的，并提供电源和线性稳压器之间的直接连接。当 AC 电压从 0V 增加至大约 20V 时，需要额外上升几伏以保持线性稳压器的稳定，20V 的开关打开。此时 AC 电流流经 20V 的 LED 串，同时为其储能电容器充电。当 AC 线路电压上升到 40V 加上线路余量时，LED 第一段上的开关重新关闭，LED 第二段上的开关打开。像以前一样，40V 的 LED 堆栈使 AC 电流得到应用，其存储电容器进行充电。

不过，当第一段上的开关关闭后，LED 的电流仍会继续从与其相关的存储电容器流出。计数序列继续，当 AC 线路达到峰值时，得出的二进制最终结果是七 (111);随后，计数结果在下个零交点处回落到零。压摆率控制可保证每个开关的关闭速度是其打开速度的两倍，以确保能与 TRIAC调光器一起正常工作。TPS92411 元件在低频 (《1kHz) 时开关，整个解决方案采用无磁性元件。EMI 滤波仅仅需要一个单一的电容器。系统效率取决于 LED 的累计值、所用 TPS92411 开关的数量以及在最小和最大线路电压时线性稳压器的余量。

图 3：采用 TPS92411 高压开关的开关控制型 AC 直接驱动器。

与适合 LED 灯具的传统 SMPS 方法相比，开关控制型直接驱动器实施方案可提供类似优势并减少挑战。

结论

人们很容易忘记白炽灯是一项不完美的发明(在长达几十年的时间段内，曾对这项发明进行了诸多改进)。LED 照明设备正处于起步阶段。唯一可确定的是，LED 的发光效率将提高，驱动 LED 所需的电子产品将更简化。与现在 SMPS LED灯具驱动器的方法相比，开关控制型 AC 直接驱动器可提供节约成本的实用型优势。它使 LED 负载出现电阻性，就像常规灯泡中的灯丝一样，这样，采用传统墙壁调光器时就可从根本上实现良好的调光效果。事实上，灯泡可能只是经历了一个轮回。