LED照明设计需考虑的各种因素

卡特

　　led照明应用的主要设计挑战包括以下几个方面：散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性和消除色偏。据照明了解这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决。

　　由于LED灯必须能够装设在原有的旧式插座之内，因此散热是一个必须克服的大问题。但严格来说，这可以利用机械工程技术解决的问题，LED系统生产商的责任是努力开发新技术，尽量提高LED的亮度（即每单位功率产生的流明量）。吴志民自信地说：“我们可以提供功效效率最高的LED驱动器，以确保可将整个灯光系统的散热量减至最少。”

　　LED的相对高成本是LED照明市场目前仍难以大规模起飞的主要障碍。例如，英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监AlexanderSommer就说：“大多数小于25W的典型LED照明应用是标志灯、标识灯、以及替代标准的白炽灯和卤素灯。但与现有的荧光灯和白炽灯技术相比，LED初始成本仍然是进入大众市场的一个主要障碍。”

　　Cytech产品及设计部工程师徐瑞包也认同主要商业化挑战是成本。他说：“目前各种功率的LED照明系统在电路上都是可以实现的，技术挑战来自于终端应用的要求，比如应用于汽车，要考虑到光学设计以及整体散热设计等。商业化部署的挑战则主要来自于LED成本。”

　　LED照明设计的散热考虑

　　25W以下的LED照明系统一般设计用于像阅读台灯、走廊灯、客厅射灯、家用餐灯、小夜灯等应用，客户一般希望这类应用设计得越小巧越好，因此其PCB能安放的设计空间相对来说比较小，因此长时间使用时封装空间内的温度有可能会很高。由于设计师不太可能在其内安装一个散热风扇，因此它的散热设计就变得非常关键和重要。

　　“大多数小于25W的低功率LED照明应用要求一定程度的小型化。这常常导致更高的功率密度，尽管功耗不是很大。足够的散热管理措施必须通过改进的机械结构提供。此外，高电气效率有助于降低功耗。”AlexanderSommer指出，“如果需要进一步减少热阻，这可以通过电气隔离来做到，因为它可以实现最高效率的热传递。这些方法也允许实现优化的流明输出。”

　　另一种防止LED长时间工作过热问题的思路是采用调光解决方案。飞兆半导体公司高压IC产品行销经理SangCheolHer表示：“相比荧光灯和白炽灯，采用调光解决方案是降低LED功耗的重要途径，这种方案利用调光控制器来实现。尤其是对于小于25W的LED驱动解决方案，由于PCB尺寸小，而封装空间有限，散热问题无可避免，所以该方案更显重要。”

　　事实上，在这个功率范围内，LED照明灯将会取代卤素灯和紧凑型荧光灯（CFL）。此外，先进的技术为了摆脱散热问题，必须去掉对温度变化敏感的无源组件如电解电容。然而，目前大多数LED驱动器解决方案都源于电源拓扑并以此为基础，故应该考虑到温度范围的限制，因为一般产品通常基于商业标准，但照明灯却必须确保能够适应严苛的环境如工业环境。

　　LED照明设计的架构选择

　　LED照明系统架构选择取决于你的设计目标是低成本、高效率还是最小PCB面积。一般来说，小于25W的LED照明系统不要求进行功率校正，因此可以采取简单一些的拓扑架构，如PSR或Buck拓扑。25W-100W的LED照明应用要求进行功率校正，因此一般采用单级PFC、准谐振（QR）PWM或反激式拓扑。100W以上LED照明应用一般采用效率更高的LLC拓扑和双级PFC.

　　“低于25W功率LED照明解决方案可采用PSR或Buck拓扑，因为这一功率范围主要针对小型设计，强调设计的简单性。中等功率解决方案（25W-100W）适合于单级PFC、准谐振（QR）PWM、反激式拓扑。”SangCheolHer说，“大功率解决方案（大于100W）则适合采用LLC、QRPWM、反激式拓扑设计。从效率角度来看，LLC和QR性能更好；而PSR方案无需次级反馈，设计简单，尺寸也比其它方案小。”

　　郑宗前也表示：“小于25W的LED灯具主要应用在室内照明，它们主要采用低成本的反激拓扑结构。安森美半导体的NCP1015和NCP1027单片变换集成电路集成了内置高压MOSFET和PWM控制器，可以有效的减少PCB的面积和灯具的体积，提供最大25W的功率输出（230VAC输入）。”

　　“对于非隔离型小于25WLED照明应用，如果输入到输出转换比低，那么简单的降压转换器可以是一个低成本和小体积的选择。在看重效率的隔离型拓扑架构中，使用像英飞凌CoolSETICE2QS系列器件的准谐振反激式拓扑就是一个很好的选择。”AlexanderSommer说。英飞凌是第一家提供数字准谐振反激控制IC的供应商。

　　25W-100W功率范围的典型LED照明应用是街道照明（小区道路）和像停车场这样的公共场所。功率转换效率、PFC功能的高性价比实现和高颜色品质现在是最重要的三大技术挑战。例如，在商业照明和街道照明应用中，更长得使用寿命和由此产生的更低维护成本正帮助克服较高初始成本的进入障碍。25W到100W的LED照明应用有功率因数的要求，因此需要增加功率因数校正电路。