白光LED照明是未来主流趋势

在很多情况下，LED更高的效率可将功耗降低多达88%。它们还极大地降低了为照明而发电和传输电能所导致的二氧化碳排放量。根据Strategies Unlimited公司的研究，到2012年，总的高亮度白光LED照明市场预计将超过50亿美元，对应于2009年至2012年的28%年复合增长率(CAGR)。这仅仅是个开始，因为在LED发光效率的提高继续加速了商业/住宅照明市场从白炽灯、荧光灯和高压钠灯向高亮度白光LED转变的同时，LED从商业化角度来看甚至会变得更具有成本效益。

根据一些计算，从传统白炽灯和荧光灯转向LED照明可使当前全球总能耗节省高达10%。随着人们加速努力降低发电产生的二氧化碳的总排放量，全球照明能源需求降低10%的潜力对这种转变起到了极大的推动作用。

什么因素支持如此巨大的增长潜力？首先，目前这一代LED的发光效率比白炽灯高10倍，是荧光灯和高压钠灯(HPS)的两倍多，从而极大地降低了提供所需光输出(以流明量度)所必需的电力。随着LED的进一步开发，它们靠电力发光的效率会继续提高，而且预计在未来几年内将翻一番。

其次，在一个非常关注环保的世界上，LED照明不需要处理、接触和清除荧光灯中常见的有毒水银蒸气。今天用于大多数住宅照明系统的冷阴极荧光灯(CCFL)含有多达5mg的水银，而更大的灯含有的水银会多得多！

第三，白炽灯每用1,000小时就需要更换，而荧光灯可持续使用长达1万小时，相比之下，LED的寿命超过10万小时。在大多数应用中，这允许LED永久地嵌入到最终应用之中，而无需附属装置。

实例包括室内和室外商业及住宅照明，如路灯、室内和室外工业照明以及诸如发电厂和提炼厂等有害环境中的照明。有些应用(如提炼厂)24小时不间断运行的，LED将持续使用长达11年，这意味着它们将从不需要更换。另外，LED比其它类型的照明灯小和扁几个数位级，能以非常扁平的外形尺寸制造，因此它们可以永久地置入内部和外部应用中。

LED的小尺寸还使置入LED外壳中的反射器能够制作得更精细，从而更高效率地聚焦光。白光LED提供纯的“全光谱”白色光，在色谱中没有缝隙，从而就需要可靠视敏度的任务而言，可以非常容易地看清楚。例如，查看色标导线、读取彩色标志或区分水蒸气和火焰造成的烟雾。相反，在橙黄色的高压钠灯照明环境中完成同样的任务可能很困难，因为在这种照明环境中无法准确区分颜色。

与人眼能察觉到的变化相比，LED还能以快得多的速度调光以及接通/断开，这极大地降低了功耗。LED照明可以调光或断开，直到需要时，再即时接通至最大光强，而荧光灯或高压钠灯需要长达30秒或更长的时间才能达到最大光强。

然而，照明系统设计师面临的最大挑战之一是，如何优化最新一代LED的所有好处。因为LED通常需要一个准确和高效率的DC电流源和一种调光方法，所以LED驱动器IC在多种应用中必须设计到满足这些需求。电源解决方案必须是高效率、坚固、非常紧凑和具成本效益。可以证明，就驱动照明从白炽灯、荧光灯和高压钠灯照明阵列向LED转变而言，增长最快的应用将出现在通用内部/外部照明应用中，因为在这类应用中，功耗节省的回报是最大的。

室内/室外LED照明

诸如尺寸小、使用寿命长、功耗低、易于调光和快速接通时间等好处已经加速了高亮度LED在工业和住宅照明等很多已有照明应用中被采用。LED的长寿命和小尺寸使得在各种应用中引入新配置成为可能，这些应用包括在冰箱正面提供照明的白光LED阵列、以至照亮整个大学校园的更复杂系统等。以下图1显示的是美国纽约Verrazano Narrows大桥，这个大桥完全由高亮度LED照明。LED的高效率极大地降低了所需的电力，而它们的长寿命和耐用性在相对苛刻的海洋环境中尤其重要。

图1：LED照明的大桥

大功率工业照明

无论是在工厂、提炼厂、零售商店还是在医院中，工业照明在颜色、接通时间、调光能力、坚固性、易于设计以及当然还有效率方面都需要一些具体的标准。不过，既然采用LED的新照明设计一般都比白炽灯设计昂贵，那么从长远来看，就必须靠更高效率的发光来极大地节省能源成本。如前所述，与等效白炽灯相比，LED照明提供约高10倍的效率，而与荧光灯或高压钠灯相比，则高2倍到3倍，因此促进了长期能源节省。诸如24小时不间断运行的工厂等应用，一般仅在几年内就可以收回LED的成本，而其他照明设计可能需要长达5年的时间。

LED不用白炽灯、荧光灯和高压钠灯首选的高压AC电源，一般使用电压低得多的DC电压源，其典型范围视应用和LED配置的不同而有所改变，从仅为8V至72V。不过，大多数新的设计都将在12V至24V的DC输入范围内工作，而有些改良设计会使用12VAC输入。

为了确保最佳性能和长工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够靠不精确稳定的电源轨工作，而且还必须具有成本效益和空间效益。为了保持长工作寿命，首要的是不超过LED的电流和温度限制。不管输入电压如何变化，LED驱动器都能为LED串提供恒定电流，以保持恒定的光输出和颜色，这也很重要。出于这个原因，通常需要恒定频率、电流模式LED驱动器拓扑。与电压模式控制相比，电流模式控制改善了环路动态特性，并提供逐周期电流限制，从而向LED提供恒定电流。最后，LED驱动器必须提供超过90%的效率，以最大限度地减小对外部散热措施的需求，并保持照明系统的高效率。

图2显示了一个由单个LED驱动器IC驱动的典型50W LED串，该IC是凌力尔特公司的LT3756，工作在升压模式。LT3756是一个100V、高压侧电流检测DC/DC转换器，用来驱动大电流LED。该器件6V至100V的输入电压范围使其非常适用于多种应用，包括工业和建筑照明。LT3756使用一个外部N沟道MOSFET，可以从标称12V的输入驱动多达14个1A的白光LED，从而提供超过50W的功率。它可以用一个24V输入为多达20个LED供电，从而提供总共75W的LED功率。

LT3756包括高压侧电流检测，从而使该器件能够用在升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑中。在这个例子中，LT3756用于升压模式，可以提供超过94%的效率，从而无需散热措施，并最大限度地减轻了对热量的担忧。频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz范围内对频率编程，从而优化了效率，同时最大限度地减小了外部组件尺寸和成本。结合3mm x 3mm QFN封装，LT3756可提供一个非常紧凑的50W至75W LED驱动器解决方案。

此外，LT3756采用真彩色PWM(True Color PWM)调光，这种调光方法以宽达3,000:1的调光范围提供恒定LED颜色。就不那么苛刻的调光需求而言，CTRL引脚可用来提供10:1的模拟调光范围。该器件的固定频率、电流模式架构在宽电源电压和输出电压范围内提供稳定工作。一个以地为基准电压的FB引脚用作几种LED保护功能的输入，从而使该转换器可以作为恒定电压源工作。

图2的设计可以在多种不同的配置中使用。LED可以在50W聚光灯配置中以单阵列排列，以取代125W的荧光灯或高压钠灯，这几种灯的光输出都相当于500W卤素灯，而产生的热量与卤素灯相比却非常少。除了节省能源，由LT3756驱动的LED还提供即时接通功能、纯净得多的光颜色并能够快速和准确地对LED调光。或者，还可以将多达14个4W的LED配置为活动式投射灯，每个灯都能以同样或更好的光颜色提供相当于一个40W卤素灯的光输出，同时降低了非常热的卤素灯固有的火灾风险。类似地，LED还可以取代几个荧光灯。

图2：LT3756 50W LED升压电路

图3：LT3756 50W LED升压电路的效率和VIN

一个工业照明的案例分析

为了突出LED工业照明的好处(与历史上效率最高的高压钠灯照明相比)，我们可以考虑一个提炼厂的例子，如图4所示。在这个例子中，超过1,000个250W的高压钠灯照明系统被同样数量的100W白光高亮度LED照明系统取代，这些LED都是由LT3756驱动的。因为这些灯是每日24小时不间断地开着的，所以第一个主要的好处是能源需求降低了60%。就整个提炼厂而言，这转化成每年节省16.4万美元成本(按每度电0.10美元计算)。这种节省还可能极大地提高，因为LED照明系统不需要任何升温期，可以“即时接通”工作，从而在极短的时间内达到最大光强。通过在不需要时给这些灯断电，或者使用运动控制传感器以避免让这些灯24小时不间断工作，这个工厂还能节省多得多的能源。

另一个主要的好处是光输出的质量。正如可以在图4中看到的那样，工厂左手边的部分是用LED照明的，LED提供全光谱纯白光，与高压钠灯(右手边)相比，在这种光线中更容易看清楚，而高压钠灯发出的光几乎全部在色谱的橙黄色区域，从而非常难以区分颜色。在提炼厂中，这尤其令人难受，因为要用肉眼区分水蒸气和火焰引起的烟雾是非常惨痛的事。要能够准确地辨认色标导线和彩色饰板也是很重要 (甚至在光线暗淡的情况下)。

最后，白光LED具有10万小时的工作寿命，每天24小时不间断工作，将持续使用超过11年，相比之下，高压钠灯每一两年就需要更换。与目前的高压钠灯照明相比，这进一步降低了高亮度LED的长期总体成本。

图 4：具高亮度白光LED灯与高压钠灯照明的提炼厂

本文小结

白光LED照明应用在工业/住宅通用照明领域前所未有地加速已经导致对大电流LED驱动器IC的很多具体性能要求。从面向提炼厂、发电厂等有害工业应用的大功率外部照明到内部活动式投射照明，工业应用有很多种。节能以及由此引起的二氧化碳排放量减少正在加速高亮度白光LED在大量商业和工业环境中的采用。所有这些应用都需要高性能LED驱动器IC，以最大限度地提高效率和可靠性，同时最大限度地降低用户向LED照明转变的成本。这些LED驱动器还必须提供恒定电流以保持一致的亮度，而不管输入电压或LED正向电压如何变化；必须以高效率工作，并提供宽调光比。应用还要求占板面积非常紧凑和高热效率解决方案。幸运的是，LED驱动器的设计师已经预料到了这些需求，并已经设计出满足所有这些需求的IC。