LED 照明的成长推动力

背景

    到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市场规模预计将达到 202 亿美元，自 2012年算起的年复合增长率 (CAGR) 将达到 30.6% (数据来源：Strategies Unlimited)。驱动这种显著增长的重要应用领域之一是用于为薄膜晶体管 (TFT) 液晶显示器 (LCD) 提供背光照明的 LED。应用包括从高清晰度 (HD) TV 和便携式平板个人电脑到汽车显示器以及五花八门的手持式通信设备。不过，为了保持这种令人印象深刻的增长率，LED 不仅必须提供更高的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸，还必须在对比度比和色彩准确度方面做出改进。此外，在汽车、航空电子设备和船舶显示器中，所有这些改进都必须进行优化，同时还要承受从阳光灿烂到无月之夜的各种环境照明条件。

    这些 TFT-LCD 应用包括信息娱乐系统、仪表板及众多的仪器显示屏。当然，当采用 LED 来为这些显示器提供背光照明时，为了在各种各样的照明条件下优化显示器的清晰度，将会产生一些独特的 LED 驱动器 IC 设计难题。它要求 LED 驱动器提供非常宽的调光比范围和高效转换，同时还要承受相对苛刻的汽车电气及物理环境的考验。不言而喻，此类解决方案必须提供非常扁平和紧凑的占板面积，同时还要提高总体成本效益。

    除此之外，据 LED 业内人士透露：“惊人的增长出现在面向商业用途的高亮度 LED 照明系统中；这是因为在大多数消费者的眼里，LED 照明对于家用而言仍然太过昂贵。凭借其长期优势、节能和环保特性、及相关的减税政策优惠，商业领域中的 LED 照明使用量将会有大幅度的增长，例如：停车场、办公区、工厂厂房和仓库。LED 灯不仅能取代高压钠灯、卤素灯和白炽灯泡，而且在某些场合中还可替代 CFL 和荧光灯。”

    于是，由于在商用建筑的总用电量中照明一般占到 25% 至 40%，所以商业应用在向 LED 的过渡中居领先地位，这一点丝毫不让人感到惊讶。因为此类应用需要长时间的高强度光，所以节省电能可在相对较短的时间内取得满意的经济回报。其次，LED 灯的长寿命大幅度地降低了灯泡的更换成本。这些更换成本不仅包括灯泡本身的价格，而且在某些应用 (例如：高棚灯照明) 中实际更换灯泡的人工费用也是十分巨大的。反过来，就目前而言面向家庭用途的通用型 LED 照明对于大多数消费者来说仍然过于昂贵。然而，在未来的几年中，随着 LED 灯价格的走低和普及率的提高，其在照明市场的住宅区段也将实现大幅增长。大多数分析人士预计：这一市场区段在 2013 年及以后将加速成长。

是什么因素推动汽车显示器越来越多地采用 LED 呢?

    汽车照明领域这种令人印象深刻的增长潜力是由哪些因素支撑的呢？首先，LED 的发光效率是白炽灯泡的 10 倍，而且几乎是荧光灯 (包括冷阴极荧光灯 [CCFL]) 的两倍，因此降低了提供给定的光输出量 (以流明/瓦 [lm/W] 为单位衡量) 所需的电功率。随着 LED 的进一步发展，其功效或者从电源产生光输出的能力只会继续提高。其次，我们是一个关注环保的世界，而 LED 照明不需要处理、接触和弃置于冷阴极荧光灯 (CCFL) 中常见的有毒水银蒸气。最后，白炽灯泡在使用约 1,000 小时以后常常需要更换，而荧光灯可以持续使用长达 10,000 小时。不过，与 LED 照明可提供超过 10 万小时的寿命相比，这些数字就相形见绌了。

    在大多数应用中，这种更长的工作寿命使 LED 能永久性地嵌入到最终应用中。这对汽车仪表板、仪表以及信息娱乐系统显示屏的背光照明而言，显然特别重要，由于它们在汽车工作寿命期内将不需要更换，因而常常嵌入在汽车的仪表盘里。此外，LED 的外形比其他灯可小好几个位量级，也更紧凑，因此 LED 屏可以做得极其扁薄，故而只需占用非常少的汽车内部空间。而且，通过红、绿和蓝光 LED 的配置，可以提供无限多种色彩。再者，LED 还能够以远远超出人眼察觉能力的速度进行调光以及接通 / 关断操作，从而可显著改善 LCD 显示器的背光照明，同时提供拥有高对比度比和较高分辨率的图像。

进入汽车应用领域所面临的障碍

    然而，汽车照明系统设计师面临的最大障碍之一是，怎样优化最新一代 LED 具有的所有特色和优势。因为 LED 一般需要一个准确和高效率的电流源和一种调光方法，所以 LED 驱动器 IC 必须设计成能在多种工作条件下满足这些要求。另外，它们的电源解决方案必须非常高效、坚固和可靠，同时还必须非常紧凑和富有成本效益。可以说，就驱动 LED 而言，最苛刻的应用之一将是汽车信息娱乐及仪器 TFT-LCD 的背光照明，因为它们处于严酷的汽车电气环境中，必须适应范围很宽的环境照明条件变化，同时还必须能放入非常有限的狭小空间之中。而且始终不变的是，它们必须具有富吸引力的成本结构。

    许多新兴汽车设计采用单个屏来为用于驾驶控制的所有显示仪表提供背光照明。通常，仪表盘的 LED 背光照明与信息娱乐系统是共用的，从而形成一种便于阅读的一体型控制面板。同样，包括汽车、火车和飞机在内的诸多交通工具也在面向后方的座位上装有用于为乘客提供电影、视频游戏等娱乐服务的 LCD 显示器。历史上，此类显示器采用 CCFL 背光照明；然而，人们开始越来越多地采用非常扁平的白光 LED 阵列来取代这些相对庞大的灯泡设计，以提供更加精确和可调的背光照明以及更长的使用年限。

 图 1：上图示出了一种具高亮度 LED 的概念型 LCD 汽车仪表盘背光灯

面向商业楼宇照明的 LED 驱动器

    LED 照明高增长率背后的主要驱动力是，与传统照明方法相比，LED 照明的功耗大幅降低。与白炽灯照明相比，要提供同样的光输出 (以流明为单位)，LED需要的电功率不到白炽灯的 20%。由表 1 可见，LED 照明还有其他很多优势，但是也有一些与 LED 照明有关的挑战。LED 照明的优势包括工作寿命比白炽灯长数个量级，这极大地降低了更换成本。能利用以前安装的 TRIAC 调光器给 LED 调光，也是一个主要的成本优势，尤其是在住宅照明翻新应用中。LED 能即时接通，不像 CFL那样需要预热时间，而且 LED 对电源循环不敏感，这一点也与 CFL 不同。此外，LED 不含任何需要管理或处置的有毒材料，而 CFL 需要有毒的水银蒸气才能工作。最后，LED 能实现新的和非常扁平的外形尺寸，这是其他技术不可能做得到的。

离线式 LED驱动需要注意的事项

    能用离线式电源驱动 LED 就可使应用呈指数性地飞速增长，因为不管是商用建筑还是居民住宅中，这种形式的电源都可以非常便利地得到。虽然 LED 灯的更换附属装置相对简单，最终用户很容易安装，但是对 LED 驱动器 IC 的新要求却极大地提高了。由于 LED 需要一个良好调节的恒定电流源，以提供恒定的光输出，所以用 AC 输入电源为 LED 供电需要采取一些特殊的设计方法，要满足一些非常特别的设计需求。

    在不同的地区城市，离线式电源参数会存在差异，一般在 90VAC~265VAC 之间，频率则为 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市场的 LED 附属装置，最好拥有这样一种电路设计：无需修改就能使 LED 用在任何地方。这就要求单一 LED 驱动器 IC 能处理多种输入电压和电网频率。

    此外，许多离线式 LED 应用需要 LED 与驱动电路之间实现电气隔离。这主要出于安全考虑，并且是几家监管机构要求的。电气隔离通常由隔离型反激式 LED 驱动器拓扑提供，该拓扑运用变压器来隔离驱动电路的主端与副端部分。

    由于采用 LED 照明的驱动力是提供特定光输出量所需的功率可极大地降低，因此势在必行的是：LED 驱动器 IC 要提供最高的效率。因为 LED 驱动器电路必须将高电压 AC 电源转换为较低的电压和良好调节的 LED 电流，所以 LED 驱动器 IC 必须设计为：提供高于 80% 的效率以不浪费功率。

    而且，为了在住宅应用中常见的 TRIAC 调光器已经大量安装到位的情况下使 LED 翻新灯成为可能，LED 驱动器 IC 必须与这些调光器一起高效运作。TRIAC 调光器专为与白炽灯和卤素灯很好地配合工作而设计，这两种灯是理想的阻性负载。然而，LED 驱动器电路一般是非线性的，而且不是纯阻性负载。其输入桥式整流器在 AC 输入电压处于其正峰值和负峰值时通常吸收高强度的峰值电流。因此，LED 驱动器 IC 必须通过设计来“模仿”一个纯阻性负载，以确保 LED 在不产生任何明显闪烁的情况下正确起动，并利用一个 TRIAC 进行适当的调光。

    就 LED 照明而言，功率因数 (PF) 是一项重要的性能规格。简言之，如果所吸取的电流与输入电压成比例且同相，那么功率校正系数为 1。由于白炽灯是一种完美的电阻性负载，所以输入电流和电压同相，且 PF 为1。PF 是特别重要，因为它与本地电力供应商所需提供的电功率有关。举个例子，在一个电力系统中，与一个具有高功率因数的负载相比，在所传输的有用功率相同的情况下，一个具有低功率因数的负载吸取更大电流。因为所需的电流较高，所以在配电系统中损失的能量也提高了，这反过来又需要更粗的导线和其他传输设备。较大的设备和能源浪费增加了成本，所以电力公司往往对功率因数较低的工业或商用客户收取较高的费用。针对 LED 应用的国际标准仍然处于开发之中，不过大多数人相信：就 LED 照明应用而言，将要求 PF > 0.90。

图 2：凌力尔特的 LT3799 离线式 LED驱动器整合了单级有源滤波，以降低 EMI 并可提供一个数值达 0.98 的功率因数 (顶视图)。

    LED 驱动器电路 (包括大量的二极管、变压器和电容器) 的表现不像一个纯电阻性负载，故其 PF 可能低至 0.5。为了将 PF 提高到 0.9 以上，有源或无源 PFC 电路都必须设计到 LED 驱动器电路内。还应该提到的一点是，在运用大量 LED 照明阵列的应用中，高 PF 尤其重要。例如：在使用几百个以上 50W LED 灯的停车库里，高 PF (>0.95) LED 驱动器设计是有益的。

    除了高 PF 具备重要性之外，最大限度地降低 LED 灯的谐波失真度也很重要。International Electrotechnical Commission 已经制订了IEC 61000-3-2 C类照明设备谐波规范，以确保新的LED照明附属装置满足这些低失真要求。

    在照明应用中，能在较宽的输入线路电压、输出电压和温度变化范围内准确调节 LED 电流是至关重要的，因为 LED 亮度的变化必须是人眼难以察觉的。类似地，为了确保 LED 有最长的工作寿命，不使用高于其最大额定值的电流来驱动 LED 是很重要的。在隔离型反激式应用中，LED 电流的调节并不总是直接进行的，常常需要一个光耦合器来闭合所需的反馈环路，或者可能增加一个额外的转换级。然而，这两种方法都带来了复杂性和可靠性问题。幸运的是，有些 LED 驱动器 IC 的设计采用了新的设计方法，无需这些额外的组件或在不增加设计复杂性的情况下，就能准确地调节 LED 电流。

结论

    毫无疑问，HB LED 在汽车应用以及高亮度 LED 照明系统在商用建筑中的成长潜力相组合，使得 LED 本身及其驱动所需的 LED 驱动器 IC 如今得到了广泛的使用，进而造成其需求量的显著增加。尽管其普及面临着各自的障碍，但它们在这些应用中所提供的优势非常之大是人们根本无法忽视的。幸运的是，对于此类系统的设计人员来说，LED 的选择余地很大，可以为其供电的新型和创新 IC驱动器同样不少。没错，LED 照明的未来的确是光明的。