Jak wybrać rozwiązania oświetleniowe LED o dużej i małej mocy?
Niezależnie od tego, czy chodzi o oświetlenie LED o dużej mocy, czy o małej mocy, zazwyczaj składa się ono z zasilacza, sterownika LED, diody LED, soczewki i podłoża. Kluczowym elementem jest sterownik LED, który musi zapewniać stały prąd wyjściowy światła emitowanego przez diodę LED. Nie będzie migotać i ściemniać oraz nie powoduje zmiany koloru diody LED. Ogólnie przyjmuje napięcie wejściowe 24 V-48 V DC, ale istnieją również zaawansowane sterowniki LED, które mogą bezpośrednio przyjmować napięcie wejściowe 220 V AC.
Główne wyzwania projektowe związane z zastosowaniem rozwiązań oświetleniowych LED obejmują następujące aspekty: rozpraszanie ciepła, wysoka wydajność, niski koszt, ściemnianie bez migotania, ściemnianie w szerokim zakresie, niezawodność, bezpieczeństwo, eliminacja przebarwień. Wyzwania te należy rozwiązać poprzez wszechstronne zastosowanie odpowiedniej topologii systemu zasilania, topologii elektrycznej napędu i konstrukcji mechanicznej.
Liang Houquan, Dyrektor Marketingu Technologii Diod Azji i Pacyfiku, zwrócił uwagę:&cyt.;Dla projektantów największym wyzwaniem technicznym będą wymagania dotyczące wysokiej wydajności, konstrukcja optyczna, zarządzanie temperaturą i poprawa niezawodności niektórych aplikacji, takich jak wysoka jasność oświetlenia ulicznego LED. Oferujemy teraz serię rozwiązań oświetleniowych LED obejmujących aplikacje od 0,1 W do 250 W.&cyt;
Program świetlówek LED"W zastosowaniu systemu programów oświetlenia LED, oprócz doboru odpowiednich produktów LED, kompletny program oświetlenia LED obejmuje również projekt optyczny, projekt termiczny, projekt produktu i projekt napędu elektrycznego. Ponieważ diody LED są urządzeniami niskonapięciowymi, przekształcenie wysokonapięciowego zasilania prądem przemiennym w niskonapięciowe sterowniki stałoprądowe dla diod LED stanie przed wieloma wyzwaniami.&cyt; Zheng Qian, starszy kierownik ds. aplikacji w ON Semiconductor China, zauważył:"Ponadto, ze względu na zalety oświetlenia LED, sterowniki elektryczne LED muszą być niezawodne i wydajne. Wydajne, bezpieczne i tanie. Dlatego w przypadku różnych zastosowań oświetleniowych LED należy najpierw wybrać odpowiednią topologię elektryczną napędu.&cyt; ON Semiconductor może teraz dostarczać wszystkie rozwiązania oświetleniowe LED w zakresie mocy od 1W do 500W.
Aby szybko promować wzrost na rynku rozwiązań oświetleniowych LED, National Semiconductor Corporation (NSC) miała ostatnio na celu bardzo duży rynek bezpośredniej wymiany żarówek, czyli bezpośrednią wymianę żarówek w istniejących domach lub na innych rynkach zastosowań Lampy LED i wprowadzone na rynek Opracowano układ sterownika LED LM3445 z bezpośrednim wejściem sieciowym dla tego rynku.
Jednak menedżer ds. marketingu produktów NSC Asia Pacific Power Management Wu Zhimin powiedział: &: Lampy żarowe są dostępne od wielu lat. Od wielu lat przy niezmienionych standardach technicznych, nasze domowe systemy oświetleniowe podążają za wieloletnimi niezmienionymi standardami technicznymi. Sytuacji nie można zmienić z dnia na dzień. Na przykład, ze względu na rozpraszanie ciepła i kąty świecenia, oryginalne oprawki lub urządzenia w starym stylu nie nadają się do montażu żarówek LED. Jednak oprócz problemów technicznych, opłacalność sprawia, że oświetlenie LED nie jest możliwe. Największy powód popularności. Żarówki z żarnikiem wolframowym i świetlówki neonowe kosztują około 0,6-0,7 USD/Klm, ale obecna cena lamp LED wciąż wynosi 40-50 USD/Klm.&cyt;
Jak wspomniano powyżej, ponieważ lampa LED musi mieć możliwość zamontowania w oryginalnym starym gnieździe, rozpraszanie ciepła jest dużym problemem, który należy przezwyciężyć. Ale ściśle mówiąc, można to rozwiązać za pomocą technologii inżynierii mechanicznej. Obowiązkiem producentów systemów LED jest ciężka praca nad rozwojem nowych technologii, aby zmaksymalizować jasność diod LED (czyli ilość lumenów wytwarzanych na jednostkę mocy). Wu Zhimin z przekonaniem powiedział:"Możemy dostarczyć najbardziej wydajny sterownik LED, aby zminimalizować rozpraszanie ciepła całego systemu oświetleniowego.&cyt;
Stosunkowo wysoki koszt diod LED jest główną przeszkodą, którą rynek oświetlenia LED wciąż ma trudności z wystartowaniem na dużą skalę. Na przykład Alexander Sommer, dyrektor ds. marketingu produktów w jednostce biznesowej zarządzania energią firmy Infineon Technologies Co., Ltd., powiedział: „Większość typowych zastosowań oświetleniowych LED o mocy mniejszej niż 25 W to lampy znakowe, lampy znakowe oraz alternatywne standardowe żarówki i żarówki halogenowe. W porównaniu z technologią świetlówek i żarówek początkowy koszt LED nadal stanowi główną przeszkodę w wejściu na rynek masowy.&cyt;
Inżynier produktu i projektant Cytech, Xu Ruibao, również zgadza się, że głównym wyzwaniem komercjalizacji jest koszt. Powiedział:&„Obecnie systemy oświetlenia LED o różnych mocach są osiągalne elektrycznie. Wyzwanie techniczne wynika z wymagań aplikacji terminalowych, takich jak zastosowania w samochodach, które muszą uwzględniać projekt optyczny i ogólny projekt rozpraszania ciepła. Wdrażanie komercyjne Wyzwaniem jest głównie koszt diod LED.&cyt;
Zagadnienia dotyczące rozpraszania ciepła w projektowaniu oświetlenia LED
Systemy oświetlenia LED o mocy poniżej 25 W są zazwyczaj przeznaczone do zastosowań, takich jak lampki biurkowe do czytania, oświetlenie korytarzowe, reflektory do salonu, oświetlenie do jadalni, lampki nocne itp. Klienci na ogół mają nadzieję, że takie aplikacje są zaprojektowane tak małe, jak to tylko możliwe, aby płytka drukowana mogła być umieszczony Przestrzeń projektowa jest stosunkowo niewielka, więc temperatura w przestrzeni opakowania może być bardzo wysoka przy długim użytkowaniu. Ponieważ projektant raczej nie zainstaluje w nim wentylatora chłodzącego, jego konstrukcja chłodzenia staje się bardzo krytyczna i ważna.
& quot;Większość zastosowań oświetlenia LED o małej mocy poniżej 25 W wymaga pewnego stopnia miniaturyzacji. Prowadzi to często do większej gęstości mocy, mimo że zużycie energii nie jest duże. Odpowiednie środki zarządzania rozpraszaniem ciepła muszą być zapewnione dzięki ulepszonym strukturom mechanicznym. Ponadto wysoka sprawność elektryczna pomaga zmniejszyć zużycie energii”. AlexanderSommer zauważył: „Jeśli potrzebujesz jeszcze bardziej zmniejszyć opór cieplny, możesz to zrobić poprzez izolację elektryczną, ponieważ może to osiągnąć najwyższą wydajność wymiany ciepła. Te metody pozwalają również na zoptymalizowaną moc strumienia świetlnego.&cyt;
Innym sposobem, aby zapobiec przegrzewaniu się diody LED przez długi czas, jest zastosowanie rozwiązania ściemniającego. SangCheolHer, kierownik ds. marketingu produktów wysokonapięciowych IC w firmie Fairchild Semiconductor, powiedział: „W porównaniu z lampami fluorescencyjnymi i żarówkami zastosowanie rozwiązań ściemniających jest ważnym sposobem na zmniejszenie zużycia energii przez diody LED. Rozwiązanie to realizowane jest przez sterowniki ściemniania. Zwłaszcza dla mniej niż 25W Ze względu na mały rozmiar PCB i ograniczoną przestrzeń opakowania, problem rozpraszania ciepła jest nieunikniony dla rozwiązania sterownika LED firmy, więc to rozwiązanie jest jeszcze ważniejsze.&cyt;
W rzeczywistości w tym zakresie mocy oświetlenie LED zastąpi lampy halogenowe i kompaktowe lampy fluorescencyjne (CFL). Ponadto, aby pozbyć się problemu z rozpraszaniem ciepła, zaawansowana technologia musi usunąć elementy pasywne, takie jak kondensatory elektrolityczne, które są wrażliwe na zmiany temperatury. Jednak większość obecnych rozwiązań sterowników LED wywodzi się z topologii zasilania i na niej bazuje, dlatego należy wziąć pod uwagę zakres temperatur, ponieważ produkty ogólne są zwykle oparte na standardach komercyjnych, ale muszą być w stanie dostosować się do trudnych branż, takich jak jako branże.
Wybór architektury projektu oświetlenia LED
Wybór architektury systemu oświetlenia LED zależy od tego, czy Twoim celem projektowym jest niski koszt, wysoka wydajność, czy minimalna powierzchnia PCB. Ogólnie rzecz biorąc, systemy oświetleniowe LED o mocy mniejszej niż 25 W nie wymagają korekcji mocy, więc można zastosować prostszą topologię, taką jak topologia PSR lub Buck. Zastosowania oświetlenia LED o mocy 25 W-100 W wymagają korekcji mocy, dlatego zwykle stosuje się jednostopniową technologię PFC, quasi-rezonansową (QR) PWM lub topologię flyback. Zastosowania oświetlenia LED powyżej 100 W zazwyczaj wykorzystują bardziej wydajną topologię LLC i dwustopniowy PFC.
& quot;Poniżej mocy 25W rozwiązania oświetleniowe LED mogą wykorzystywać topologię PSR lub Buck, ponieważ ten zakres mocy przeznaczony jest głównie do małych konstrukcji, podkreślając prostotę konstrukcji. Rozwiązanie średniej mocy (25W-100W) jest odpowiednie dla jednostopniowego PFC, quasi-rezonansowego (QR) PWM, topologii flyback.&cyt; SangCheolHer powiedział:"Rozwiązania o dużej mocy (powyżej 100W) są odpowiednie dla LLC, QRPWM, projektowania topologii flyback. Z punktu widzenia wydajności wydajność LLC i QR jest lepsza; Schemat PSR nie wymaga wtórnego sprzężenia zwrotnego, jest prosty w konstrukcji i ma mniejszy rozmiar niż inne schematy.&cyt;
Zheng Qian powiedział również: „Lampy LED o mocy mniejszej niż 25 W są używane głównie w oświetleniu wewnętrznym i wykorzystują głównie tanią topologię flyback. Monolityczne układy scalone konwersji NCP1015 i NCP1027 firmy ON Semiconductor zawierają wbudowane tranzystory MOSFET wysokiego napięcia i kontrolery PWM. Może skutecznie zmniejszyć powierzchnię płytki drukowanej i objętość lampy oraz zapewnić maksymalną moc wyjściową 25W (wejście 230VAC).&cyt;
& quot;W przypadku nieizolowanych zastosowań oświetleniowych LED o mocy mniejszej niż 25 W, jeśli współczynnik konwersji wejścia do wyjścia jest niski, prosty konwerter obniżający napięcie może być tanim i niewielkim wyborem. W przypadku izolowanej topologii, w której ważna jest wydajność, należy zastosować quasi-rezonansową topologię flyback urządzeń serii Ling CoolSETICE2QS.&cyt; - powiedział AlexanderSommer. Infineon jest pierwszym dostawcą, który dostarcza cyfrowe quasi-rezonansowe układy scalone sterujące flyback.
Typowe zastosowania oświetlenia LED w zakresie mocy 25W-100W to oświetlenie uliczne (drogi gminne) oraz miejsca publiczne, takie jak parkingi. Wydajność konwersji energii, opłacalna realizacja funkcji PFC i wysoka jakość kolorów to obecnie trzy najważniejsze wyzwania techniczne. Na przykład w oświetleniu komercyjnym i ulicznym dłuższa żywotność i wynikające z niej niższe koszty pomagają pokonać bariery wejścia w postaci wyższych kosztów początkowych. Zastosowania oświetlenia LED od 25W do 100W mają wymagania dotyczące współczynnika mocy, dlatego należy zwiększyć moc korekcji współczynnika mocy.
& quot;Ten rodzaj energii elektrycznej może przyjąć tradycyjną strukturę dwustopniową, to znaczy energię elektryczną z korekcją współczynnika mocy w trybie aktywnym nieciągłym (PFC) oraz energię elektryczną konwersji DC-DCPWM, taką jak ON Semiconductor' S kontroler korekcji współczynnika mocy NCP1607, obwodowa energia elektryczna NCP1607 jest bardzo prosta i może zapewnić dobrą wydajność.&cyt; Zheng Qian powiedział:"W przypadku wysokowydajnych, tanich i małoobjętościowych rozwiązań LED warto polecić jednostopniowy obwód PFC, który może jednocześnie osiągnąć współczynnik mocy i izolowane niskonapięciowe wyjście DC, oraz ma znaczną przewagę kosztową, z pewnością stanie się popularnym rozwiązaniem dla oświetlenia LED średniej mocy. NCP1652 firmy ON Semiconductor zapewnia optymalne rozwiązanie sterowania do realizacji jednostopniowego zasilania PFC.&cyt;
Shenzhen Shiqiang Telecom korzysta z SiliconLabs' 8-bitowy MCU serii C8051F3 do implementacji PFC w oprogramowaniu. Zastępca kierownika ds. marketingu firmy, Huang Sunfeng, powiedział: „Opracowaliśmy w pełni cyfrowe rozwiązanie oświetleniowe LED dla domowych zastosowań oświetleniowych z sieci zasilającej (180 V-260 V) o mocy 10 W-30 W o niskim poborze mocy, które można kontrolować za pomocą oprogramowania, aby osiągnąć wartość PFC wynoszącą do 0,95. Dzięki sprzętowi W porównaniu z PFC, to rozwiązanie programowe charakteryzuje się większą elastycznością, adaptowalnością i możliwością rozbudowy przy założeniu tego samego wskaźnika wydajności.&cyt; Zastosowany w tym rozwiązaniu sterownik LED MIC3230 charakteryzuje się maksymalnym prądem wyjściowym 350mA i może zasilać diody LED o mocy do 12 A o mocy 1W, które doskonale zaspokoją potrzeby oświetlenia wewnętrznego.
Alexander Sommer powiedział:"W przypadku zastosowań oświetleniowych LED o mocy 25W-100W, które wymagają wydajności i wydajności w szerokim zakresie wejściowym i/lub obciążenia (takim jak ściemnianie), stosowana jest quasi-rezonansowa topologia flyback ze stopniem PFC. Zazwyczaj można osiągnąć sprawność do 90%.&cyt;
Zastosowania powyżej 100 W obejmują główne drogi i szybkie oświetlenie publiczne (gdzie wymagana jest jasność do 20 tys. lumenów lub więcej i moc 250 W) oraz zastosowania profesjonalne, takie jak oświetlenie sceniczne i oświetlenie architektoniczne. Kluczową siłą napędową stosowania diod LED w zastosowaniach o dużej mocy jest niski koszt posiadania ze względu na niezawodność i niskie zużycie energii. Na przykład jego wydajność systemu jest porównywalna z lampami metalohalogenkowymi i niskoprężnymi lampami sodowymi. Wstępne porównanie kosztów może nadal stanowić barierę wejścia na ten rynek w krótkim okresie.
Zheng Qian wskazał:"W przypadku zastosowań LED o mocy większej niż 100 W użyjemy tradycyjnego aktywnego obwodu korekcji współczynnika mocy w trybie nieciągłym i półmostkowego rezonansowego obwodu konwersji DC-DC. Wprowadziliśmy nowy typ zintegrowanego sterownika, który integruje aktywny regulator współczynnika mocy w trybie nieciągłym i półmostkowy regulator rezonansowy z napędem wysokonapięciowym.&cyt;
Półmostkowy regulator rezonansowy pracuje ze stałą częstotliwością przełączania i stałym cyklem pracy, a obwód nie wymaga sterowania ze sprzężeniem zwrotnym po stronie wyjściowej. To sprawia, że rezonansowa przetwornica DC-DC półmostkowa pracuje w najbardziej wydajnych stanach ZVS i ZCS. Napięcie wyjściowe DC będzie podążać za wyjściem obwodu korekcji współczynnika mocy.
Alexander Sommer podkreślił: „W przypadku zastosowań oświetleniowych LED o większej mocy powyżej 100 W, wydajność staje się ważniejsza. Wykorzystując topologię rezonansową LLC, może osiągnąć wydajność ponad 90%. Używamy nowego 8-pinowego urządzenia Infineon ICE1HS01.&cyt;
Niezależnie od mocy wyjściowej systemu oświetlenia LED, wybór mocy sterownika LED będzie w dużej mierze zależał od zakresu napięcia wejściowego, skumulowanego spadku napięcia samego ciągu LED oraz prądu wymaganego do zasilania diody LED. Doprowadziło to do powstania wielu różnych możliwych topologii sterowników LED, takich jak buck, boost, buck-boost i SEPIC.
Tony Armstrong, dyrektor ds. marketingu produktów w dziale produktów zasilających Linear Technology, zauważył: „Każda topologia ma swoje wady i zalety. Wśród nich najprostszym i najłatwiejszym rozwiązaniem jest standardowy konwerter step-down. -Konwertery Boost są na drugim miejscu, a konwertery SEPIC są najtrudniejsze do wdrożenia. Dzieje się tak, ponieważ wykorzystuje złożone zasady projektowania magnetycznego i wymaga od projektantów doskonałej wiedzy w zakresie projektowania zasilaczy impulsowych.&cyt;
Krótko mówiąc, zastosowanie produktu końcowego określa topologiczną strukturę diody LED, a następnie rozsądnie wybiera strukturę Buck, Boost, SEPIC lub Buck-Boost zgodnie ze strukturą topologiczną diody LED i zasilania wejściowego."Ogólnie rzecz biorąc, używa się więcej niż 25W Bucks. Ci potężniejsi wybierają strukturę Boost. Pod względem wydajności oba mogą ogólnie osiągnąć ponad 85%, a LT3755 może osiągnąć wydajność do 97%. Weź pod uwagę część napędową. Całkowity koszt systemu należy wziąć pod uwagę przy kosztach BOM.” Xu Ruibao powiedział: „Ponieważ konkurencja się nasila, zawsze będą dostępne rozwiązania o niższym koszcie BOM, ale mogą one nie być najbardziej odpowiednie. Nie projektujemy produktów zgodnie z tym standardem. Obszar PCB jest kontrolowany głównie przez główne komponenty. Oświetlenie LED o małej mocy powinno w miarę możliwości przyjąć wysoce zintegrowane rozwiązanie. Rozwiązanie o dużej mocy powinno wybierać produkty o wysokiej integracji technicznej i prostym zasilaniu zewnętrznym. Dyskusja tutaj odnosi się do rozwiązania DC-DC.&cyt;
Liang Houquan zwrócił również uwagę:"W celu osiągnięcia wysokich wymagań dotyczących wydajności należy rozważyć zastosowanie zasilaczy LED w trybie impulsowym. Większość z tych klientów woli wybierać niższe sterowniki LED, ponieważ ogólna wydajność jest wyższa. Biorąc pod uwagę najniższy koszt BOM, konwertery LED przełączników nie należą do najtańszych. Tacy klienci mogą spróbować użyć liniowych sterowników LED stałoprądowych. Może to zapewnić najniższy koszt BOM, ale wydajność może nie być tak wysoka, jak w przypadku sterowników LED trybu przełączania. Na przykład z najmniejszej powierzchni płytki PCB Patrząc z perspektywy, konwertery impulsowe są zwykle wybierane, ponieważ generują mniej ciepła, a nawet związane z nimi komponenty będą mniejsze.&cyt;
Rozwiązania ściemniania analogowego, PWM i TRIAC
Rozwiązania i specyfikacje przyciemniania LED stale się zmieniały i nie zostały do tej pory naprawione, więc teraz są PWM, analogowe i tyrystorowe (TRA
