高亮度LED照明的优势及应用

HVHB LED采用PFC升压配置驱动，具有体积小，PFC高，效率高，成本低，复杂度低等优点，是CFL照明解决方案的有竞争力的替代品。

作为消费者，公司甚至各国都在寻找低成本，高能效的照明光源，发光二极管（LED）和紧凑型荧光灯（CFL）已成为主要的替代品。这两种解决方案都是可行的，但差别很大。 CFL照明设备价格便宜，但开启速度慢，并且调光性能差。另一方面，LED具有“快速接通”特性并且很暗，但由于成本的原因，采用速度很慢。

半导体制造商继续创造新的LED驱动器组件，以降低系统复杂性和成本。与此同时，LED制造商正在推动高亮度LED的功效（发光效率），以减少所需的LED数量，并降低调节它们所需的功率。

其中一项创新是引入高压，高亮度（HVHB）LED。这些LED需要更高的电压才能启动电流，从而产生光发射。这些新型LED带来了新的挑战和机遇。虽然最初设计为直接从交流线路自驱动，但低效率，低功率因数和无法调暗等因素限制了它们可以服务的应用数量。

在图1中我们看到了将这些LED直接从交流线路上驱动。为了满足整个电压范围（90至135 Vac或207至253 Vac），正向压降（Vf）必须处于最低AC电压或更低。这意味着当电压处于标度的上限时，电压会在限流电阻上下降。这会造成损失并大大降低效率。这也会产生热量，这可能会限制LED的寿命。现在让我们看一下图1中的开启时间。由于LED仅在达到或超过Vf时导通，因此仅使用峰值电压创造光明。由于它在整个AC周期中占很小的比例，因此功率因数非常低（远低于美国，欧洲和印度所称的额定值，使得它们在这些国家的住宅和商业照明中无法使用）。这意味着如果要满足这些LED的峰值功率需求，电力公司需要提供比运行所需的更多的电力。最后，由于大多数调光器（TRIAC或电子）通过斩波提供给灯的AC波形来操作，因此仅在灯导通的短暂时段期间发生调光。这意味着，对于90％或更多的调光范围，灯光将全部开启或全部关闭

图1：没有驱动器的HVHB LED特性。

尽管如此，HVHB LED与其低压同类产品相比具有一些优势。从驱动器的角度来看，它们非常适合直接从升压功率因数校正（PFC）电源驱动（见图2）。该拓扑结构通过将电流消耗与AC电压波形相匹配来控制输送到负载的功率，从而确保良好的功率因数（通常为0.97或更高）。使用这种形式的PFC，它很容易超过0.7或0.9的监管机构要求，这是在美国，欧洲和印度销售商业和住宅照明所必需的。提高输入电压的另一个好处是能够产生足够高的电压，因此无论输入电压如何，都可以使用一种电源设计。因此，可以实现通用输入LED灯（90至253Vac）。与往常一样，存在通用输入的权衡。满足120 Vac和220 Vac应用的设计提供了一个产品设计，一个构建和一个库存项目的好处。但是，为了实现这一点，您必须允许设计处理比110 Vac操作所需的更高电压，以及高于高压应用所需的电流。与针对每个电压范围的优化解决方案相比，这相当于更高的总物料清单（BOM）成本和更大的组件。

高电压还意味着对于给定输出功率的低电流。例如，要创建一个16 W LED光源（使用四个串联/并联的4 W LED），总Vf为380 Vdc，所需电流仅为42 mA。

这种低电流意味着更小的存储电容，允许使用寿命长，价格低廉的陶瓷电容器。使用这种电容器可以延长整个光源的使用寿命，因为它不需要电解电容器。典型的长寿命电解电容额定为20，000小时，但如果它们过热则会显着降低，而寿命长达50，000小时的LED则会显着降低。这是在街道照明，高棚照明和其他高环境温度应用应用中的重大成就。从效率方面来看，开关模式LED驱动器中的主要损耗元件是LED本身：开关电源电源（IC），驱动FET和整流器。将开关频率保持在合理的频率（例如150 kHz）可以最大限度地降低FET中的开关损耗，而低电流意味着整流器中的功率损耗很低。可以预期效率大于90％，并且仅在整个VIN范围内略有不同。

功率因数校正可通过多种方式实现：

主动：使用具有用于匹配电流消耗与输入电压的内置算法

谷填充技术：当AC输入处于转换状态时，需要路由二极管和存储电容来提供电流

自然：一般情况下不连续运行的反激式配置中的开关模式电源（SMPS）

谷填充操作通过要求低寿命电解来限制驱动器寿命。反激操作需要变压器的费用，以及产生大量电磁干扰（EMI）辐射（通过变压器的磁通损耗）和传导（通过不连续操作引起的高电压和电流尖峰，以及反射电压，等于VIN + VOUT）

图2：使用有源PFC器件的简单升压设计。

使用相同技术驱动低压LED意味着首先必须提升PFC的输入电压，然后降低电压到LED灯串的Vf下降。这增加了驱动器的复杂性和成本，通常增加了整个功率级以将高PFC电压转换为LED电流。驱动低压LED的一种更常见的方法是使用以不连续模式运行的反激式拓扑中的电源（参见图3）。变压器的匝数比有助于桥接VIN和Vf之间的电压差。这种拓扑结构的缺点是复杂性（并且通过关联，成本较高），不能接受通用AC输入，增加EMI传导和辐射（由变压器的反射电压和磁通量损耗引起）。而且，没有大容量电容器设计要困难得多。高压大容量电容器通常是电解的并且具有有限的寿命，尤其是在炎热的环境中。此外，较低的电压会产生较高的电流，从而增加了电源路径元件的温度和尺寸，并限制了所选LED的输出。

图3：基于变压器的低压LED驱动器

LED照明的一个重要特性是能够使用现有的调光解决方案（主要是基于TRIAC）进行调光。这种在整个TRIAC范围内调暗的能力是将正确驱动的LED与不良或自驱动LED以及CFL选项分开的原因。必须注意避免闪烁（TRIAC失火）并在昏暗的光线下提供足够的负载以使调光器保持导电模式。过滤AC线对于降低60 Hz波形不会影响LED的驱动电压以及限制传导EMI传播回输入波形（因此违反FCC规范）至关重要。

通过“解码”实现调光“在TRIAC调光期间的AC特征，并将结果转换为电压或电流等效值。然后可将其直接插入电源，或转换为脉冲宽度调制（PWM）信号，以根据调光百分比调节LED“开启”时间。

调光时需要权衡利弊。注入驱动器反馈路径的模拟电压或电流是最便宜的方法，需要最少的附加电路。但是，它有几个缺点。在PWM SMPS中可能损害环路稳定性，并且在电压瞬变期间可能发生振荡或振铃。这可能会在LED的光输出中显示为闪烁。另一个缺点是模拟调光减少了通过LED的电流并导致调光范围内的颜色变化。例如，全电流的蓝白色LED在低电流时可能会出现更多的黄白色。

通过数字调光（例如PWM），LED串通过并联FET短路来打开和关闭，通过将FET与电流检测电阻并联来断开或断开接地。以这种方式，电流通过LED保持恒定，但由于在一段时间内被点亮，它们看起来更暗。优点是颜色在调光范围内不会发生变化Everlight HiVo系列等LED具有Vf范围，可容纳110 Vac和220 Vac电压。使用220 Vac系列中的两个可确保所有输入电压（90至277 Vac）均可通过有源PFC升压设计实现。以串联或并联方式连接它们可以灵活地覆盖许多电源和电压配置。

总结

总之，HVHB LED在采用PFC升压配置驱动时具有体积小，PFC高，高等优点效率高，成本低，复杂度低。所有这些都为当今市场上的CFL照明解决方案提供了极具竞争力和吸引力的解决方案。