谈LED照明芯片的技术趋势

凌力尔特公司电源产品部产品市场总监Tony Armstrong称，随着LED的进一步发展，其效用或从电源产生光输出的能力只会继续提高。其次，LED照明具有环保的特点，不需要处理、暴露和弃置于冷阴极荧光灯(CCFL)中常见的有毒水银蒸气。最后，白炽灯泡在使用约1000小时以后，常常需要更换，而荧光灯可以持续使用长达1万小时。不过，与LED照明可提供超过10万小时的寿命相比，这些数字就相形见绌了。 　　散热、可靠性和安规需要重点考虑 　　德州仪器(TI)业务拓展经理韩乾全分析道，众所周知，LED驱动模块工作环境温度较高，且模块散热条件较差，从而导致LED驱动电路一直在较高温度下工作，这会导致LED应用可靠性降低、使用寿命缩短等一系列问题，因此散热不得不重点考虑；可靠性和安规是很容易被有意忽略的部分，尤其是在强制执行相关规定前，为了降低成本，部分LED照明厂商会省略可靠性和安规方面电路；但这恰恰是LED照明产业能否长久发展的根本，也是LED驱动芯片厂商设计能力的体现，不同的芯片厂商提供的方案，增加这部分电路增加的成本差别很大。 　　台湾的聚积科技股份有限公司产品总监俞仲威认为应注意到标准化成形的趋势，如美国能源之星及日本PSE规范。此外，调光功能越来越受重视，例如传统的可控硅调光，1~10V调光，以及DALI调光。最后，就是针对解决散热问题所衍生出对驱动方案的要求，除了成本的考虑，更轻量化的要求，同时也必须兼顾更好的电气特性(效率、功率因数、电磁干扰、输出纹波等)。 　　LED需要丰富的电源转换与驱动方案 　　安森美半导体照明市场技术行销经理林志彦表示，LED本质上是低压器件，根据色彩及电流的不同，其正向压降可能在2~4.5V之间变化，而且LED需要以恒流来驱动，从而确保提供所要求的发光强度和色彩。与此同时，LED应用多种多样，需要采用不同的电源来供电，如高压AC-DC、中等电压DC-DC以及低压DC-DC等。 　　这就要求根据具体应用要求，采用适合的电源转换及LED驱动方案来驱动LED，如开关型驱动器、线性驱动器、线性恒流稳流器(CCR)，以及高压开关电源方案、功率因数校正(PFC)控制器，甚至是新颖的照明管理集成电路(LMIC)，以配合具体应用需求，提供高能效及高可靠性，帮助发挥LED的长寿命优势。 　　聚积科技也认为市场已不盲目追求“一次满足”的方案，而是了解到各项特性之间存在着冲突，比如传统单级输出架构下，功率因数与输出纹波无法同时优化而必须做出妥协。因此，聚积科技的策略是针对客户不同需求提出不同的解决方案。以架构而言，在市场近年来片面倾向隔离式方案时，聚积认为不能忽略非隔离式架构在特定应用上无可取代的优势，因此仍持续开发出多样性的产品。目前除了主动功率因数校正产品、可控硅调光及四段调光产品已顺利服役外，聚积也积极地朝向更高性价比的方案努力。 　　离线式电源驱动促进应用 　　凌力尔特公司电源产品部产品市场总监Tony Armstrong称，特别是在驱动HB(高亮度)LED的场合，通过运用一种满足输入电压范围以及所需输出电压和电流要求的转换拓扑结构，凌力尔特的LED驱动器IC能够提供适合诸多不同类型LED配置的足够电流和电压。 　　具体来看，仅用离线式电源驱动LED就可使应用呈指数性地飞速增长，因为不管是商用建筑还是居民住宅中，这种形式的电源都可以非常便利地得到。虽然LED灯的更换附属装置相对简单，最终用户很容易安装，但是对LED驱动器IC的新要求却极大地提高了。由于LED需要一个良好调节的恒定电流源以提供恒定的光输出，所以用AC输入电源为LED供电需要采取一些特殊的设计方法，要满足一些非常特别的设计需求。为此，凌力尔特近期推出了一款创新的离线式单级有源功率因数校正(PFC)隔离型反激式LED控制器，即LT3799。 　　兼容性和集成控制成亮点 　　Marvell绿色能源部营销总监Lance Zheng指出，2011年，整个照明市场的增长超过了40%，2012年成为LED市场起飞的关键年。兼容性和集成控制将成为技术发展的两大亮点。 　　首先是兼容性，现有的照明架构基于传统的照明技术，比如白炽灯技术。由于空间受限，如要替换这些灯泡和配置，LED灯需要采用相同规格的灯泡，以便和照明控制设备(例如已经配置的TRIAC调光器)相匹配。为了应对这个问题，灯泡内的驱动电路板面积就需要减小，同时要与各种调光器兼容。 　　其次是集成控制功能。通过很低的成本，为LED驱动电路增加无线控制技术即可带来全新特性，例如色温调节、模式照明、场景控制等。这些很酷的特性基于LED技术，有助于增加用户对LED照明技术的接受度。 　　感知照明时代即将来临 　　奥地利微电子传感驱动照明部门总监Sajol Ghoshal指出，推动LED照明技术不断向前发展的主要因素是法规。目前，建造新的电厂已经变得非常昂贵，因此未来十年里，世界各地的政府都在寻求显着降低能源消耗的良方。一栋建筑物中，相当高比例的能源消耗来自于照明。因此，强制降低能源消耗的新法规将影响照明系统的设计和安装应用。欧盟正在计划逐步淘汰低效的灯泡，也已经针对商业照明制定条例规定。 　　从历史上来看，照明是一个粗糙控制的电负载，用一个简单的开关手动控制，可以进一步精细化控制。例如美国加州议会法案32法规，要求建筑物到2018年减少一半的能源消耗。其他建筑法规，例如加州Title 24对此甚至提出了更具体的要求，诸如要求通过窗户和天窗实施日光捕捉以降低能耗，以及要求建筑物配备自动照明控制系统。目前，低成本的被动式红外线探测器已很少用于房间内。通过建筑系统控制照明能大大降低能源消耗，为用户带来高度优化的照明从而提高舒适度体验，从这方面来看，显然还有很长一段路要走。 　　因此，利用LED电源及灵活的优势，在下一代照明系统中实现照明控制将是主要趋势。该方案可以使照明系统能根据环境变化调整LED自身的亮度和色彩以配合环境需求，例如当房间内有足够的日光或房间长时间无人时，该方法就可自动地减少大量能耗。 　　智能调光方案 　　NXP半导体也是智能调光的积极推动者。其大中华区照明产品市场经理张伟超介绍道，对于LED照明驱动器厂商，设计的方案需要更大限度地提升性能，包括PFC、THD、效率、输出恒流精度等关键性能，同时减少电路板空间需求，降低设计复杂性和系统成本。同时，随着LED住宅和商业照明应用的发展，调光的需求增大，但白炽灯用到的可控硅调光仍然会存在，所以驱动IC的架构设计中需要面对更广泛的调光兼容性问题。 　　同时未来照明方案趋向于更智能的调光，考虑节能的因素，在照明领域最大的突破是改进照明的应用模式，即智能化，无线照明控制，或者“智能照明”。智能照明标志着我们与光的关系发生了根本的变化——无论在家、办公室，甚至室外。用一个安全、小型、低成本的方案，将无线IP与高能效照明技术联系在一起，可以转换我们的设计、控制和管理照明的方式。对于有IP地址的每个灯泡，这个完整的硬件/软件方案可以实现IP间的连接，这样就可以建立一个通过如智能手机、平板电脑和个人电脑等很容易控制的先进的照明系统。 　　图1中的智能照明网络，包括了灯、开关、传感器、远程控制，以及可选的通过智能手机、平板电脑和个人电脑的网管实现的IP控制方式。这些灯可以通过基于6LoWPAN的JenNet-IP堆栈协议实现网络IP控制。 　　相比传统控制方案更优越的是，JenNet-IP SW堆栈允许系统通过智能手机、平板电脑和个人电脑来控制。这些功能可以通过低成本的网关实现，既可以通过互联网也可以通过局域网(LAN)来控制。芯片iCFL或iSSL的方案适用于从家庭用户到具有管理系统的专业用户。