LED照明方案趋势的研究

　　0 引言

　　LED光源也就是发光二极管(LED)为发光体的光源，属于固态光源。发光二极管于20世纪60年代问世，当时的LED发展还不成熟，主要以红色为主，光通量小且发光效率低，它的基本用途是作为收录机等电子产品的指示灯使用。近年随着材料、结构、和技术的快速发展，也促进了LED的发展。

　　现在LED不仅颜色各种各样，发光效率有很大提高，光通量也有很大的进步，就单个LED的光通量而言，可达数十流明。特别是高亮度、高光效的白光LED开发的成功，使LED照明行业有了更广阔的发展前景。现在LED照明技术已经得到了超速的发展，但在过去的几年里，对LED业者来说是喜忧参半，虽然包括中国在内的许多国家都开始禁止销售白炽灯，但LED灯具的销售并没有因此而乐观，反而出现了很多灯具厂倒闭的连锁风暴。对于今年LED照明市场，随着40W白炽灯的LED灯泡价格的急速降低，产业界都很乐观的预计今年的LED照明市场将走暖，因此，对于在业者来说，当下最需要做的是做好技术储备和方案选型。

　　1 LED的发光原理及其优点

　　1.1 LED的发光原理

　　LED是由砷化镓、磷砷化镓、AlGaAs等半导体制成，将电能转化为光能的过程。其主要由N型半导体形成的N层、P型半导体形成的P层和中间的有源层构成。当外加正向偏压时，P型区的空穴向负方向扩散，进入有源区，同时N型区的电子将向正方向扩散，进入有源区，当电子和空穴相结合时，会自发的发射光。当使用材料不同时，由于能阶的不同将会发出不同颜色的光，如红、橙、黄、绿、蓝或不可见光等。且当正向电流越大时，LED所发出的光就越亮，LED发光的稳定性也受电流稳定性的影响，所以在应用中应尽量选择稳定电流的LED驱动恒流源。

　　1.2 LED的优点

　　兼有各种优点的LED，现如今是任何其他光源都无法比拟的。他的优点不仅仅体现在发光质量上，它在生产、制造、使用方面也都远远超过了荧光灯、白炽灯等传统的光源。其优点主要体现在以下几方面。

　　(1)发光效率高。LED自20世纪60年代诞生起到现在已经历了几十年的发展，它的发光效率也有的很大的进步。传统光源的大部分耗电都被转化为热量散发了，如白炽灯、荧光灯、钠灯的光效分别为12～24lm/W、50～70lm/W、90～140lm/W。经过改良后的LED光效可达50～120lm/W，并且其光的光谱很窄、单色性好，所以不需要过滤就可以发出有色可见光。

　　(2)耗电量少。一般在相同的照明效果下，LED灯的耗电量大约为荧光灯的1/2,白炽灯的1/8。它的单管功率低，约为0.03～0.06W，且反应速度很快，为在高频操作提供了条件。

　　(3)使用寿命长。当在合适的电压和电流下，LED的使用寿命是荧光灯的10倍，可达10万小时，可与灯具一体化设计。它体积小，重量轻。采用环氧树脂封装，可受强冲击力而不易破碎。

　　(4)高亮度、低热量。LED属于冷光源，发热量低且光色柔和，发光强度可控。

　　(5)响应快。LED的响应时间极短，在微秒级。

　　(6)光指向性强。LED发出的光指向性很强，相比传统光源的衰减低很多。

　　(7)环保。LED抗震动、耐冲击、可回收，且生产过程中无需添加汞，无污染。

　　2 LED光源的应用

　　2.1 可见光

　　(1)若是传统一般亮度，如二元化合物GaP(除GaN系列之外)和三元化合物GaAsP、AlGaAs等(除GaN系列之外)，这种一般利用在3C家电、消费性产品和咨询电子产品等。(2)若是高亮度如四元化合物AlGaNInP，GaInN系LED这两种一般应用于户外全彩看板、背光源、交通号志和车用照明等;当是白光LED则一般应用于大尺寸背光源、一般照明等。2.2 不可见光

　　当是短波长红外光时一般应用于红外线无线通讯，如自动门，自动冲水装置等;若是长波长红外光则一般应用于光通讯用光源。

　　3 LED的驱动

　　目前市场上的产品基本采用直流电驱动，因为在市电和LED产品之间需要加上一个将交流电转化为适合LED产品使用的直流电装置，即LED驱动电源适配器。现在的LED驱动电源主要有两种方式，即恒流驱动方式和恒压驱动方式。

　　3.1 恒流驱动方式

　　恒流驱动方式可分为两种：一种是用一个恒压源供多个恒流源工作，然后每个恒流源相应的给每路LED供电，这种组合方式成本较高一些，但是组合灵活，其中一路LED发生故障不影响其他LED工作。另一种是直接由恒流电源供电，其优点是成本低，但灵活性差。

　　采用恒流驱动方式驱动LED是很理想的，但价格较高，这种方式的驱动电路虽然不怕负载短路，但严禁负载完全开路。恒流驱动方式的输出电压是随着LED负载大小的变化而变化的，但输出电流是恒定的。由于存在最大承受电流和电压的问题，所以LED的使用数量要受限制。

　　3.2 恒压驱动方式

　　恒压驱动方式的输出电压是恒定的，但输出直流电流是随LED负载变化而有所波动的。此种驱动方式严禁LED负载完全短路，其输出电压的变化会影响LED的发光亮度，要使每串并联的LED串发光亮度均匀的话，需要加入合适的电阻。

　　4 LED照明方案的趋势

　　在过去的2012年，对于LED业者来说是喜忧参半，即使包括中国在内的很多国家已经开始禁止销售白炽灯，但LED灯具的销售并没有预期的如意。反而有很多的灯具生产厂家出现了倒闭的情况，不过也有些厂家发展的很乐观。总的来说，今年是LED调整的一年，随着取代40瓦白炽灯的LED灯泡的零售价格降到10美元的形势，产业界预计今年LED照明市场将走缓。所以做好技术储备和方案选型是刻不容缓的。下面谈谈LED照明方案的四个发展趋势。

　　4.1 调光技术升级

　　在LED照明应用中，多采用电流驱动模式，但调光器多是电压调光，所以在兼容方面面临着巨大挑战，以往的调光方案调光范围小、调光中亮度突变、调光低时出现闪烁等问题都严重影响了用户的体验。不过以PI公司最新发布的LYTSwitchIC来看，调光性能大大提高了，即便在低导通角下也可以很容易达到NEMASSL6标准，而且该驱动器的启动速度非常快，这就可以消除突然变亮的现象。

　　调光技术面临的另一个问题就是兼容性，目前没有一家可以做到100%兼容调光的。随着LED灯具的不断普及，调光技术的提高可以带给用户更好的体验，在方案选择的时候，可以关注这一点，将成为一个新的卖点。

　　4.2单级电路架构

　　为了获得较好的调光性，以往的方案大都采用两级架构，即“PFC+隔离DC/DC变换器”的架构，这样设计可以降低纹波，以往的单级PFC电路纹波较大，这样会影响LED的寿命、色温、发光效率等问题，所以大都采用双极电路。目前随着高频开关电源单级方案的推出，单级的优势就越发明显，在效率上双极电路和单级电路是无法抗衡的，而且单级电路的电路简单，所以有些业内专家认为未来单级电路将成为主流。

　　4.3 集成PFC、MOSFET成为标配

　　以往的照明方案中，尤其是中低功率的，一方面，由于国家没有硬性要求;另一方面，是会增加方案的成本。很多厂商都没有考虑到PFC电路，严重造成国家电网的污染。但是现在集成PFC在中低功率驱动方案中已经成为标配，这是符合节能减排的趋势，同时现在我国政府在招标项目时对此也有所要求，所以厂家现在也都进行了跟进。如将PFC和恒流集成到单个开关电路中的PI的LYTSwitchIC，在典型应用中，效率可以提高到90%以上，功率因数大于0.95，并且很容易满足EN61000-3-2C对总谐波失真的要求。优化设计后的THD值可低于10%。

　　4.4 无电解电容方案

　　在LED照明不断的发展过程中，照明方案中电解电容的使用争议不断。部分人认为LED灯具的寿命杀手正是电解电容，认为它严重影响了LED灯具的寿命;同时也有人持这样的观点电解电容在滤除纹波方面有着不可忽视的作用，特别是由于无电解电容造成的高纹波电流导致的低频闪烁越来越被人们所注意。有研究学者认为即使低于165HZ的频闪不易被人眼所发觉，但会对人眼造成生理上的不适，所以电解电容不可省略，但这又会造成成本和体积的增加，难道无解了吗?

　　从最新的几款产品看，一些专业人士一致认为没有电解电容的方案才是未来的主流，为了解决闪烁和纹波问题，各厂商都拿出了自己的解决方案。如PI采用的是将开关电源的频率提高到132KHz，在如此高频下，纹波就会减小，同时所需的变压器磁芯也可以减小，这样就相应地降低了成本。

　　当然，若想强化无电解电容的效果还需要通过高集成单级方案，以PI的LYTSwitchIC为例，不仅可以省去高压大电解电容的使用，还可以减少外围元件的使用数量，这样可以大大的提高驱动器的寿命。此外，为了让驱动器得到真正严格的恒流性能，可以采用精确的初级控制器，在不同负载下，更宽的温度范围和制造差异下的恒流调整率要优于5%，这就无疑有助于LED灯具寿命的延长。

　　5 结论

　　本文主要讲述了LED照明方案选型趋势的介绍。首先介绍了什么是LED、LED照明的现状以及LED的发光原理和优点，紧接着介绍了LED光源在当今的应用，和LED的主要驱动方式。最后根据去年LED照明行业的发展情况，总结出了四种选型方案的趋势。生产商可以根据自己的情况选择适合自己的方案，在这竞争激烈的LED照明行业，只有步步小心，精益求精才能在市场站稳脚。

编辑：Cedar