基于LED的建筑照明IC設計挑戰(zhàn)

　　像白熾燈、鹵素燈和熒光燈這樣的傳統(tǒng)建筑照明 （AL） 光源，現(xiàn)在正迅速被基于發(fā)光二極管 （LED） 的照明技術和新設計所取代。原因很明顯：除法規(guī)要求外，LED 照明可保證能效更高、運營成本更低、熱負荷更小，可實現(xiàn)更低維護成本的更長安裝壽命，而且是更智能化建筑功能管理的途徑。

　　但是用 LED 來替換那些歷史悠久的燈具中燈泡并不是一件容易的事，因為做到相同的形狀和適合性接口并非易事。同時需要新的驅動電路，以提供可控的電流（而不是電壓），且通常具有調光功能。此外，白熾燈是阻性負載，可以直接連接交流電源線運行，LED 則不同。LED 照明沒有統(tǒng)一的整功率因數(shù)——即電流和電壓同相——而且其開關穩(wěn)壓器驅動電路可能成為電磁干擾源 （EMI） 。相反，驅動電路必須提供并控制所需的驅動電流，其控制方式應根據(jù) LED 負載的特性進行優(yōu)化。驅動器可能還必須執(zhí)行功率因數(shù)校正 （PFC）、調光功能和 EMI 抑制。

　　本文將探討建筑照明的各個方面以及用于實現(xiàn)基于 LED 的建筑照明 IC。然后以 Diodes Incorporated 的 IC 為例，介紹這些器件在實際電路中使用情況。

　　AL 的目標和 LED 挑戰(zhàn)

　　AL是指嵌入諸如零售店、辦公室或倉庫之類的商業(yè)、非住宅結構內部和外部的照明系統(tǒng)的設計使用。建筑照明設計的目標是追求藝術和照明科學之間的平衡，以營造氛圍、誘人的觀感，并提升空間或場所體驗，同時還要滿足技術和安全要求。建筑照明不包括由人們帶來的或重新安排的臨時性照明燈具，如他們最喜歡的臺燈；相反，建筑照明“隨建筑而生”，盡管通常允許一定的靈活性，甚至隨著短期和長期需求的發(fā)展還會重新布局。

　　近年來，AL 發(fā)展成為一個范圍更大的技術驅動型領域；同時，節(jié)能要求以及與照明管理的相關功能、特點在很大程度上造成了 AL 又面臨著諸多挑戰(zhàn)。隨著基于 LED 的照明已成為升級 AL 的主導因素，能夠有效驅動 AL 燈具（裝置）中 LED 的技術、電路和元器件變得愈發(fā)重要。

　　向基于 LED 的 AL 過渡的大部分推動力來自多種監(jiān)管授權和標準，這些標準規(guī)定了效率的不同方面，包括可調光性、PFC 和 EMI 生成以及其他因素。這些極其復雜、冗長的要求的具體規(guī)定在全球各個國家、地區(qū)，甚至在美國各州之間都有所不同。

　　在美國，重要的監(jiān)管要求包括聯(lián)邦能源之星標準和更嚴格的加州建筑標準法規(guī) Title 24。在其許多其他考慮因素中，Title 24 的要求如下：

　　用于自動開啟/關閉照明負載的占位傳感器

　　具有調光功能的 LED 驅動器

　　更高的效率，按照每瓦特輸入功率的有用流明數(shù)來衡量

　　智能互聯(lián)照明 （SCL） 支持通過藍牙、Zigbee 或 DALI/IEC 62386 無線控制單個和分組燈具，系統(tǒng)待機功耗低于 200 mW。

　　LED 輸出電流紋波低于 30%，以避免令人感到不適、分散注意力的閃爍

　　在規(guī)定的更高功率下，PFC 為 0.9 或更高

　　總諧波失真 （THD） 低于 20%，以盡量減少非阻性負載造成的功率浪費

　　關于調光率和閃爍的說明：盡管人眼通常對 100 Hz 以上的閃爍不敏感，但有一種有時被稱為“閃爍”的相關現(xiàn)象，它在通過脈沖寬度調制 （PWM） 技術對 LED 進行調光時發(fā)生，無論是進行亮度還是顏色控制。在 PWM 模式下，LED 在短時間內高速關閉（數(shù)百微秒）。這種調光率可以與基本的 LED 讀數(shù)、顯示屏幕、安防攝像頭和其他光學成像設備的掃描和刷新率相互作用。因此，LED 的刷新率應該遠遠高于眼睛本身的敏感率，來自 Diodes Incorporated 的元器件就符合這種要求。

　　從芯片到芯片組

　　滿足諸多能源相關型要求是一大設計挑戰(zhàn)，必須在各種相互沖突的方法中游刃有余，因為每個目標的“最佳”解決方案之間不可避免地存在相互作用和折中。單獨的集成電路經(jīng)過優(yōu)化后用于解決問題的特定方面，但完整的解決方案需要確保這些集成電路和和諧工作、相互加強，而不是相互抵消。

　　所以，我們去了解某個供應商的 IC 和及其組裝的任何相關芯片組（經(jīng)過驗證的電路）往往是有意義的。這為設計者提供了一個經(jīng)過測試的拓撲結構，是一個良好的開端。對于基于 LED 的 AL，Diodes Incorporated 提供的建議芯片組分為兩組，一組支持較低的功率情況（低于 30 W），另一組用于較高功率的裝置（高于 30 W），前者通常用于室內，后者用于室外。

　　圖 1 框圖顯示了三個基本 IC 如何構成 《30 W 應用及如何相互作用，以實現(xiàn)所需的核心功能。這三個基本 IC 分別為可調光 LED 控制器、紋波抑制器和調光信號接口控制器。

圖 1：高級 IC——可調光 LED 控制器、紋波抑制器和調光信號接口控制器，構成了《30 W 建筑照明設計的核心器件。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　我們來單獨看這三個 IC。AL1666S-13 高性能可調光 LED 控制器的輸入電壓范圍寬，具體為 85 VAC 至 305 VAC，其 PFC 大于 0.9 且 THD 低于 10%。該 IC 支持 0 - 10 V 模擬調光，范圍為 5% 至 100%，可與搭配使用所有的 ANSI 標準調光器；用于非模擬 PWM 調光時，范圍為 1% 至 100%，頻率為 1 kHz。為了保持性能一致性，該 IC 具有嚴格的、優(yōu)于 ±2% 的 LED 電流電源調整率，以及優(yōu)于 ±2% 的、從半載到滿載的 LED 電流負載調節(jié)能力。

　　AL5822W6-7 是一款自適應 100/120 Hz LED 電流紋波抑制器，采用 SOT-23-6 封裝。該 IC 解決了將電流紋波降至最低的難題，可滿足日益嚴格的標準。此外，由于該 IC 與 LED 連接，因此有必要加入防止短路、過流和過熱的保護措施，同時將電路和燈泡插入“帶電”插座時支持熱燈泡操作。該 IC 可以顯著減少波紋，使其下降到初始值的百分之幾，一些基本數(shù)字已經(jīng)驗證了這點。例如，當與 AL1665S-13 高性能可調光 LED 控制器組合使用時（AL1666S-13 的同類器件），電流紋波峰谷值約為 520 mA，但與 AL5822 組合使用時則降至僅 17 mA（圖 2）。

圖 2：在設計中加入 AL1665S-13 高性能可調光 LED 控制器，可將電流紋波從 520 mA 的峰峰值降低至僅 17 mA。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　最后是 AL8116W6-7，這是一款靈活的 0 - 10 V 調光信號接口控制器。該 IC 具有 10 V - 56 V 的寬 VCC 范圍，可以通過輔助繞組輸出電壓、電源軌或 LED 鏈電壓供電。該 IC 支持使用 0 - 10 V 控制的 0.2 kHz 至 10 kHz 圍內的 PWM 調光，以及電位器（電阻式）調光 （0 - 100 kΩ）。該 IC 將調光控制轉換為系統(tǒng)所需的 PWM 輸出，同時提供一個簡單的交叉隔離勢壘調光解決方案。該 IC 還提供 ±2.5% 的 PWM 輸出占空比，以獲得精確的調光曲線，這在多 LED 裝置中是至關重要的。

　　當然，高級框圖在顯示總材料清單 （BOM） 方面可能帶有欺騙性，包括無源元件、分立式有源元件和其他 IC。因此，必須看實際原理圖，以了解完整的電路需要什么，因為這會影響到封裝、生產和成本。

　　對于圖 1 中的 《30 W 芯片組，下面圖 3 所示的原理圖顯示了實際需要的元器件。（需要變壓器 T1 和光耦合器在初級和次級之間實現(xiàn)電隔離。）

圖 3：從圖 1 所示高級框圖的詳細原理圖可以看出，在完整的設計中只需要另加幾個組件。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　由于所有基于開/關的電源電路都具有僅憑原理圖是無法揭示的現(xiàn)實世界的微妙之處，因此評估板是一種可以加快設計驗證和核實的資產。AL1666+AL8116+AL5822EV1 是一款評估板，采用上述三種 IC 來提供一個 0 V - 10 V 可調光、高 PFC、單級反激式 LED 驅動器（圖 4）。該評估板在 25 V - 50 V 電壓范圍內提供 1200 mA 恒流輸出，輸入電壓為 90 VAC - 305 VAC。

圖 4：為了加速完成項目，AL1666+AL8116+AL5822EV1 評估板（頂部和底部）有助于深入了解可調光 LED 驅動電路的運行。該評估板采用 AL1666 初級側側控制器、AL8116 次級側調光接口 IC 和 AL5822 LED 電流紋波抑制器。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　尺寸對后向兼容非常重要

　　除了常見的“越小越好”理由外，為什么小尺寸和小 BOM 很重要？在單獨或分組使用 LED 驅動 IC 時，部分原因是針對現(xiàn)有燈具（燈泡）的向后兼容問題。

　　例如，通常使用的 AL 燈形狀各異，但其中一種特別廣泛用于住宅和商業(yè)環(huán)境中是定向照明 MR16（圖 5）。多年來，這種外形的鹵素光源燈泡一直是標準 AL 照明的首選之一。

圖 5：使用鹵素作為光源的 MR16 燈泡的外形和尺寸在 AL 裝置中廣泛使用。（圖片來源：維基百科；W.W. Grainger， Inc.）

　　MR16 的周長最大時，直徑為 2 英寸?！癕R”代表多面反射器，這就是能夠控制其投射光線的方向和傳播的原因。這種燈泡通常（但并不總是）采用 12 V 交流供電，一般情況下通過線路電壓降壓變壓器供電。

　　一個小型鹵素 MR16 需要 20 W，使用壽命為 2000 至 6000 小時。相比之下，LED 等效產品只需要數(shù)瓦電源，而且使用壽命為 10 萬小時左右。隨著 AL 向基于 LED 的光源過渡，重要的一點是能夠在這種封裝中包含所需的電路，以便為巨大的售后更換市場以及新型的 AL 設計導入提供“相同形狀和適配性”的燈泡。

　　滿足更高的功率需求

　　對于諸如戶外應用等 30 W 以上的 LED 燈驅動（相當于約 3 A 的 LED 電流驅動），兩級拓撲結構可能優(yōu)于單級方法，盡管其控制和通信模塊可以是相同的（圖 6）。

圖 6：功率較高的 LED 照明設計（30 W 以上）利用兩級拓撲結構（右）與較低功率設計的單級方法（左），兩者的“智能”接口可能相同。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　在本例中，更高功率 LED 照明設計方案的電路原理圖展再次示了更深層次的內容（圖 7）。

圖 7：原理圖再次顯示了這種較高功率解決方案所提供的相對較高的集成度。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　與低功率設計一樣，三個 IC 是該實施方案的核心。首先是 AL1788W6-7，這是一款初級側控制器，它支持降壓和和不需要要光耦合器的反激式拓撲結構，同時具有“谷值開啟功能”的準諧振 （QR） 運行實現(xiàn)了低開關損耗。功率因數(shù)優(yōu)于 0.9，而且 THD 低于 15%；待機功耗低于 200 mW（例如在白天關燈時使用）提高了整體效率。

　　接下來是 AL17050WT-7，這是一款通用型 AC 非隔離降壓穩(wěn)壓器，以微小的 SOT-25 封裝提供精確的恒定電壓 （CV） 控制和極低待機功耗。該器件集成了一個 500 V MOSFET 并搭配一個單繞組電感器，從而使外部元器件更加簡單，BOM 成本更低。由于其在整個拓撲結構中的電氣作用和位置，該器件包括多個生產“層”，包括過溫保護、VCC 欠壓鎖定、輸出短路保護、過載保護和開環(huán)保護。

　　最后是 AL8843SP-13，這是一款 1 MHz 降壓穩(wěn)壓器和模擬 LED 驅動器，具有 PWM 調光功能，能夠提供高達 3A 的輸出電流，可通過外部電阻器調節(jié)。該器件在 4.5 - 40 V 寬輸入電壓下工作，電流檢測精度為 ±4%，適合在多 LED 設計中實現(xiàn)出色的通道匹配。

　　AL8843SP-13 集成了電源開關和一個高壓側輸出電流檢測電路；根據(jù)電源電壓和外部元器件，該轉換器的輸出功率高達 60 W，效率高達 97%。可通過將外部控制信號施加到一個接受直流電壓或 PWM 信號的單封裝引腳上來實現(xiàn)重要的調光功能。這種熱增強型 SO-8EP 封裝的器件還具有多個保護模式，包括 LED 開路或短路保護、電流檢測電阻開路或短路以及其他保護模式。

　　與低功率 LED 驅動布局一樣，高功率解決方案的評估板可以大大減少詳細了解全面設計導入情況所需的時間，從而更有效地推動項目進展。針對 AL8843SP-13 降壓型 LED 驅動器——高功率設計中最具挑戰(zhàn)性的元件，Diodes Incorporated 推出 AL8843EV1 評估板。

　　AL8843EV1 評估板允許在沒有交互或者其他有源元器件造成的干擾下對 IC 進行基本測試。

　　然后是“互聯(lián)照明”

　　帶來實現(xiàn)“智能互聯(lián)照明 （SCL） ”的機會——通常被簡單描述為“互聯(lián)照明”，這是基于現(xiàn)代 LED 的照明的其他既實用又可用的增強功能之一。在其各種屬性中，允許通過連接標準以分組以及單獨的形式控制燈。

　　SCL 有哪些好處？從更高級系統(tǒng)的角度來看，甚至可能有一些猜測和夸張，互聯(lián)照明的基礎設施就是對整個建筑連網(wǎng)的投資。流經(jīng)這種基礎設施的數(shù)據(jù)讓建筑管理者能夠整合、實施自動化并延長核心建筑系統(tǒng)的壽命，降低運營成本，提高性能并減少停機時間。

　　有些分析者認為，互聯(lián)照明的好處遠超單純的照明。例如，Silvair 首席技術官和創(chuàng)始人 Szymon Slupik 指出：“智能照明所帶來的附加服務價值是照明控制和節(jié)能本身的七到十倍“。

　　SCL 燈經(jīng)常長期處于被動“監(jiān)聽”狀態(tài)，因此待機功耗是設計者關注的關鍵參數(shù)，各種法規(guī)要求中都規(guī)定了最大數(shù)值。Diodes 的控制器和穩(wěn)壓器設計的額定待機功耗低于規(guī)定值。這些器件還可搭配使用支持各種接口標準的調光控制/通信型號，包括藍牙、Zigbee 和 Wi-Fi。

　　要推動互聯(lián)照明安裝，其中的一個因素就是制定全行業(yè)標準，以確保來自不同供應商的 SCL 組件可以互操作。例如，藍牙特別興趣小組 （SIG） 已經(jīng)與照明行業(yè)合作，開發(fā)針對創(chuàng)建適用型大規(guī)模設備網(wǎng)絡而進行優(yōu)化的藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)標準。此外，藍牙 SIG 和 DALI 聯(lián)盟合作創(chuàng)建了一個標準化接口，使 D4i 認證燈具和 DALI-2 設備能夠在基于藍牙的網(wǎng)狀網(wǎng)照明控制網(wǎng)絡中部署（D4i 是針對智能、物聯(lián)網(wǎng)就緒型燈具的 DALI 標準）。通過這個接口，數(shù)據(jù)可以在傳感器豐富的燈具和照明控制器之間暢通無阻地流動，甚至可以流向其他的建筑管理系統(tǒng)。

　　結語

　　基于 LED 的智能建筑照明正在提高商業(yè)建筑照明系統(tǒng)的能源效率。它也是在整體建筑性能方面實現(xiàn)長期潛在收益的一個關鍵因素。來自 Diodes Incorporated 的控制器、穩(wěn)壓器和 LED 驅動器 IC 專用于基于 LED 的 AL 及其優(yōu)化，也是將這些先進 AL 所具備的、可能的潛在優(yōu)勢成功轉化為性能強大、功能多樣、經(jīng)濟實惠的現(xiàn)實所需的關鍵構件。

　　參考文獻

　　DALI 聯(lián)盟，D4i——用于智能化物聯(lián)網(wǎng)就緒型燈具的 DALI 標準