工業(yè)照明技術(shù)及電源控制解決方案

工業(yè)用戶(hù)在選擇光源時(shí)面臨許多壓力。法規(guī)和經(jīng)濟(jì)壓力促使他們投資于節(jié)能照明，包括可以提供長(zhǎng)壽命的發(fā)光二極管（LED），因此允許公司降低維護(hù)成本。

然而，照明技術(shù)的變化對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)并不是必不可少的。用于照明燈具的智能電源為工業(yè)用戶(hù)提供了廣泛的選擇，使他們更容易選擇適合應(yīng)用的光源。

高強(qiáng)度放電（HID）金屬鹵化物燈已成為工業(yè)用戶(hù)中最受歡迎的選擇之一，特別是在需要經(jīng)濟(jì)高效地覆蓋大面積的地方 - 例如裝載托架和高天花板倉(cāng)庫(kù)。整體概念類(lèi)似于熒光燈的概念，因?yàn)楫?dāng)它們被在兩個(gè)電極之間通過(guò)的電流激發(fā)時(shí)，光由離子產(chǎn)生。然而，與熒光光源不同，不需要磷光體將光子從紫外光譜轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光光譜。離子在很窄的頻率范圍內(nèi)釋放可見(jiàn)光光子，使燈具有特有的顏色。

雖然概念簡(jiǎn)單，但HID燈需要仔細(xì)的功率控制以最大限度地提高能效。它們需要很高的點(diǎn)火初始電壓 - 如果燈是冷的話(huà)，大約3到4千伏，如果燈仍然是暖的，則需要20千伏。當(dāng)燈泡升溫時(shí)，需要限制電流直到燈泡完全運(yùn)轉(zhuǎn)。

點(diǎn)火前，燈內(nèi)弧隙呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)。但是，一旦它點(diǎn)燃并開(kāi)始導(dǎo)通，燈上的電壓就會(huì)急劇下降到20伏左右。電流即使不受限制，也會(huì)累積到非常高的破壞性水平。然而，隨著燈的升溫，電壓和輸出功率會(huì)增加，直到達(dá)到100 V左右的標(biāo)稱(chēng)值。此后，所提供的電流需要保持在一個(gè)恒定的水平，在避免顏色和亮度變化的陣列。

HID燈可能遭受由管內(nèi)氣體中形成的駐波壓力引起的聲共振問(wèn)題。這種共振會(huì)使管的玻璃變形甚至破裂，從而縮短燈泡的工作壽命。一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題是汞遷移。為了避免這些問(wèn)題，可以使用以相當(dāng)?shù)偷念l率（通常低于200Hz）運(yùn)行的AC電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)HID燈。

所有這些因素都要求電子鎮(zhèn)流器能夠?qū)λ羞@些工作點(diǎn)進(jìn)行有效控制。用于控制HID燈的典型電路將包括降壓轉(zhuǎn)換器，以控制燈電流與全橋輸出相結(jié)合，以提供防止聲共振所需的AC輸出。全橋還需要一個(gè)脈沖變壓器電路來(lái)產(chǎn)生點(diǎn)火期間使用的千伏脈沖。由于所涉及的功率水平，需要許多分立元件，但開(kāi)始出現(xiàn)復(fù)雜的控制IC，使電路更容易實(shí)現(xiàn)。

例如國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的IRS2573D。該IC包含用于降壓轉(zhuǎn)換器的控制電路，全橋元件以及驅(qū)動(dòng)反饋回路以控制燈電流和功率輸出的電流和電壓感測(cè)。該IC包含一個(gè)600 V高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，用于降壓轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動(dòng)，提供逐周期過(guò)流保護(hù)。

圖1：使用國(guó)際整流器IRS2573DS的HID燈控制器的電路圖。 （點(diǎn)擊放大）

工業(yè)用戶(hù)也在轉(zhuǎn)向新技術(shù)。發(fā)光二極管（LED）為傳統(tǒng)照明技術(shù)提供了越來(lái)越有效的替代方案，提供高壽命，并且因?yàn)楹诵脑《乙子诓贾迷诓煌姆庋b中，具有高靈活性。兩者都適合工業(yè)環(huán)境，通常需要專(zhuān)業(yè)的照明配件來(lái)照亮工作空間和機(jī)床的關(guān)鍵部件。

LED是一種定向光源，當(dāng)安裝在燈具中時(shí)可以比其他技術(shù)（例如熒光燈或HID）具有更高的效率，這些技術(shù)在所有方向發(fā)光，要求反射器恢復(fù)一些光并將其引向感興趣的領(lǐng)域。

LED可以構(gòu)建高度冗余的照明陣列，即使單個(gè)元件出現(xiàn)故障也能確保良好的照明。它們還支持將光照水平控制到精細(xì)粒度級(jí)別的能力，如果區(qū)域未被占用，則可以減少能量使用。例如，在街道照明應(yīng)用中，當(dāng)交通處于低水平時(shí)可以減少照明，然后當(dāng)緊急服務(wù)通過(guò)時(shí)最大化。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)各個(gè)燈具的必要控制。與不在峰值輸出下運(yùn)行時(shí)失去效率的技術(shù)相比，這可以提供顯著的節(jié)能效果。

LED可以運(yùn)行50，000小時(shí)，而金屬鹵化物運(yùn)行大約15，000小時(shí);工業(yè)級(jí)熒光燈20，000小時(shí);或高壓鈉燈24，000小時(shí)。這種更長(zhǎng)的壽命使得LED照明適用于更換燈的勞動(dòng)力成本高的工業(yè)照明應(yīng)用。

與熒光燈相比，LED的性能在較低溫度下得到改善，熒光燈在較低溫度下會(huì)降低。因此，用于寒冷氣候的制冷單元或外部照明可以充分利用LED照明。但是，為了實(shí)現(xiàn)高壽命和高效率的承諾，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和控制。主要問(wèn)題是閃爍，壽命，熱量管理和效率，以及緊湊性，使LED可以輕松地改裝到現(xiàn)有的燈具和配件。

高效電源轉(zhuǎn)換在高亮度工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)檫^(guò)多的熱量會(huì)降低LED的效率。高功率LED需要智能控制，以避免熱失控問(wèn)題，在這種情況下，為了保持恒定的功率輸出而最終損壞受影響的LED本身，需要增加功率。

還需要實(shí)施功率因數(shù)校正。功率因數(shù)很重要，因?yàn)榈凸β室驍?shù)增加了配電網(wǎng)絡(luò)中的損耗。世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在強(qiáng)制執(zhí)行其功率因數(shù)規(guī)范。能源之星版本1.0 2007年9月9日固態(tài)照明燈具要求住宅應(yīng)用的功率因數(shù)大于0.7，但商業(yè)和工業(yè)裝置的功率因數(shù)大于0.9。

對(duì)于可調(diào)光街道照明等先進(jìn)的高功率應(yīng)用，意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含兩個(gè)關(guān)鍵階段的參考電路。第一種是前端功率因數(shù)校正裝置，L6562AT，第二種是諧振功率轉(zhuǎn)換器，L6599AT。

許多開(kāi)發(fā)用于照明的電源轉(zhuǎn)換器采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，ST決定采用在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的反向降壓架構(gòu)，以便電源開(kāi)關(guān)可以連接到地而不是高端。這允許電源開(kāi)關(guān)由微控制器直接驅(qū)動(dòng)，使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）更容易控制調(diào)光。該設(shè)計(jì)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)輸出通道，從低功率到高功率。

壽命損失的主要來(lái)源是電解電容器，它通常用于在功率因數(shù)校正和功率轉(zhuǎn)換級(jí)之間提供平滑。高亮度LED安裝產(chǎn)生的高熱量會(huì)使這些電容器相對(duì)較快地干燥，導(dǎo)致它們?cè)贚ED或電源轉(zhuǎn)換電路之前很久就會(huì)發(fā)生故障。 Power Integrations設(shè)計(jì)了LinkSwitch-PH和LinkSwitch-PL系列LED驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)轉(zhuǎn)向單級(jí)架構(gòu)來(lái)消除這些電容器。該公司還設(shè)計(jì)了其產(chǎn)品，以避免使用輸出電容器。

圖2：使用Power Integrations LinkSwitch-PH器件的可調(diào)光LED控制器的電路示例。 （點(diǎn)擊放大）恩智浦半導(dǎo)體的SSL4101將功率因數(shù)控制器和反激式控制器集成在一個(gè)封裝中，可以從低至70 V和高達(dá)305 V的任何交流電源驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)靈活性，兩個(gè)功率級(jí)均可以準(zhǔn)確運(yùn)行 - 諧振或不連續(xù)導(dǎo)通模式，開(kāi)關(guān)獨(dú)立工作。為了在需要低功率水平時(shí)減少損耗，功率因數(shù)校正將暫停操作，并且轉(zhuǎn)換器也將限制其工作頻率以減少開(kāi)關(guān)損耗的影響。

在室外應(yīng)用中，許多LED將用于多個(gè)串，以最大化光輸出并提供冗余。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM3466為這些串提供專(zhuān)用控制。無(wú)論連接到電源的串?dāng)?shù)或每個(gè)LED串的正向電壓如何，該器件均以每個(gè)有源LED串的預(yù)設(shè)比率均衡電源提供的電流。如果在運(yùn)行期間任何LED燈串打開(kāi)，LM3466會(huì)自動(dòng)均衡通過(guò)所有剩余有效LED燈串的電源電流。結(jié)果，即使在操作期間一些LED串打開(kāi)，照明系統(tǒng)的整體亮度也得以保持。

LM3466集成了70 V功率MOSFET，電流限制為2 A.要為系統(tǒng)增加一個(gè)LED串，只需要一個(gè)電阻，一個(gè)電容和一個(gè)LM3466。監(jiān)控功能還包括欠壓鎖定，故障報(bào)告，熱閂鎖和熱關(guān)斷保護(hù)。 LM3466包含純線(xiàn)性電路，因此應(yīng)用電路的EMI不會(huì)降低。

LED的優(yōu)勢(shì)之一在于它們的可調(diào)節(jié)性，但這是近年來(lái)已經(jīng)提供給另一種節(jié)能照明技術(shù)的功能：熒光燈。熒光燈需要鎮(zhèn)流器進(jìn)行控制，因?yàn)殡S著管中的氬氣被激發(fā)，它會(huì)電離，從而增加導(dǎo)電性。傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器內(nèi)部的電感器用于在較窄的電壓和頻率范圍內(nèi)限制該電流。使用變頻逆變器的電子控制可以調(diào)節(jié)電感器的行為，并在更寬的頻率范圍內(nèi)提供控制，從而提供控制燈泡輸出的能力。

電子鎮(zhèn)流器還可以提供功率因數(shù)校正，以符合能效法規(guī)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障報(bào)告。

Atmel已經(jīng)制作了一個(gè)參考設(shè)計(jì)套件，用于演示電子控制如何在工業(yè)環(huán)境中使熒光燈受益。例如，Atmel ATAVRFBKIT將公司的AVR微控制器與IXYS的功率半導(dǎo)體相結(jié)合，提供可調(diào)光鎮(zhèn)流器，可以使用90至265 V的任何交流電壓和90至370 V DC的直流電源。該裝置將驅(qū)動(dòng)兩個(gè)T8燈，并具有多種節(jié)能選項(xiàng)。

除了提供調(diào)光支持的L6574外，意法半導(dǎo)體還擁有L6585DE鎮(zhèn)流器控制器組合IC，它集成了功率因數(shù)校正和自動(dòng)檢測(cè)老式和故障T8燈管。

當(dāng)舊燈連接到鎮(zhèn)流器時(shí)，點(diǎn)燃燈所需的觸發(fā)電壓將高于標(biāo)稱(chēng)電壓，甚至可能高于安全閾值。點(diǎn)火期間，由于頻率會(huì)降低，鎮(zhèn)流器輸出端的電壓很容易達(dá)到危險(xiǎn)值。類(lèi)似地，如果燈管損壞，則燈不能點(diǎn)燃并且必須限制燈電壓。

如果電壓達(dá)到臨界水平，L6585DE將從流入燈的電源中吸收電流，從而增加頻率并限制電流和電壓。該IC還支持舊燈具有的幾種現(xiàn)象，例如整流效果，并對(duì)其進(jìn)行校正。

通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列控制IC和功率半導(dǎo)體，供應(yīng)商為工業(yè)用戶(hù)提供了廣泛的照明選擇，因?yàn)樗麄兿Ｍ档湍茉闯杀静⑻岣呖煽啃浴?/p>