新一代LED區(qū)域照明應(yīng)用的研究

　　目前全球?qū)τ诳梢怨?jié)省能源的高能效照明越來(lái)越加重視，依國(guó)際能源署(IEA, International Energy Agency)報(bào)告指出，全球電力照明大約占總發(fā)電容量的19%，最近的新聞報(bào)導(dǎo)和政府公告也逐漸著重于提醒廣大消費(fèi)者白熾燈的低能效，并加強(qiáng)社會(huì)大眾對(duì)緊湊型節(jié)能燈等節(jié)能解決方案的認(rèn)識(shí)。除此之外，在高亮度白光發(fā)光二極管(LED)技術(shù)持續(xù)不斷進(jìn)步的情況下，也為高能效通用照明應(yīng)用帶來(lái)另一個(gè)極具潛力的技術(shù)，另外美國(guó)能源之星(ENERGY STAR)計(jì)劃也正為家用和商業(yè)照明應(yīng)用制定固態(tài)照明的標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)在這些新聞事件中，卻忽略了大約有70%的照明能源消耗是在家庭場(chǎng)合外，包括零售商店、工業(yè)生產(chǎn)以及學(xué)校、醫(yī)院和區(qū)域照明等公共空間，其中區(qū)域照明更涵蓋了如街道照明、人行通道、停車(chē)場(chǎng)以及公園等公共空間的多種應(yīng)用場(chǎng)合，除了私人領(lǐng)域外，大區(qū)域照明也應(yīng)用在工廠以及零售和商業(yè)建筑的停車(chē)空間，無(wú)庸置疑的是，在這些領(lǐng)域中蘊(yùn)藏有開(kāi)發(fā)更高能效照明解決方案的龐大商機(jī)。

　　大區(qū)域照明涵蓋的不只是提供照明功能而已，它同時(shí)也必須解決有關(guān)公共安全、運(yùn)行環(huán)境、外觀設(shè)計(jì)和美學(xué)考量、節(jié)能、系統(tǒng)可靠度和維護(hù)成本，以及如何管理燈光投射來(lái)提供適當(dāng)照明，同時(shí)避免穿透、強(qiáng)光以及光害污染等問(wèn)題。對(duì)于街道照明，發(fā)光形式和照明需求也會(huì)因街道型態(tài)、預(yù)估交通流量和標(biāo)準(zhǔn)的要求而有所不同，因此，在區(qū)域照明上有許多不同的設(shè)計(jì)來(lái)滿足實(shí)際的考量以及能源的使用和架構(gòu)問(wèn)題，例如2004年美國(guó)紐約市就贊助了一項(xiàng)國(guó)際城市照明設(shè)計(jì)競(jìng)賽，尋求是否可以發(fā)展出新的照明想法來(lái)為這個(gè)城市帶來(lái)21世紀(jì)的創(chuàng)新街景，同時(shí)取代使用已經(jīng)超過(guò)50年以上的舊設(shè)計(jì)。

　　區(qū)域照明最常見(jiàn)的照明源為高壓放電(HID, High Intensity Discharge)型式，例如高壓鈉燈、金鹵燈以及低壓鈉燈和高壓汞燈等。先進(jìn)的HID燈，例如金鹵燈擁有高于80 lm/W的高能效和1萬(wàn)到1萬(wàn)5000小時(shí)的合理壽命，以北歐地區(qū)每年使用4,000小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，壽命大約在2到4年，不幸的是，由于更換相當(dāng)困難，因此要進(jìn)行街道燈光的更換不管是在維護(hù)時(shí)間或是人工成本上都相當(dāng)昂貴，在隧道或橋梁等不易更換的場(chǎng)合更是一大問(wèn)題，如果必須封閉車(chē)道進(jìn)行維修勢(shì)必造成交通阻塞。此外，燒壞的街燈也會(huì)帶來(lái)公共安全的問(wèn)題，同時(shí)部份社區(qū)也會(huì)對(duì)換裝時(shí)間有嚴(yán)格的時(shí)間限制，其他有關(guān)這類型燈管的問(wèn)題還包括可能需要5分鐘才能啟動(dòng)，如果發(fā)生停電情況，可能還得要20分鐘過(guò)后才能夠重新動(dòng)作。除了電力消耗外，由于大部分的HID燈都含有汞，因此還必須在替換后謹(jǐn)慎處理以避免汞進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)而造成環(huán)保問(wèn)題。雖然新一代的燈管已經(jīng)擁有還算合理的能源使用效率，但由于路燈燈桿的壽命通常超過(guò)30年，因此并非所有的區(qū)域照明都采用高能效照明技術(shù)，最近由歐盟智能能源(Intelligent Energy)計(jì)劃所進(jìn)行電子化街道(E-Street)倡議所提出的報(bào)告指出，歐洲大約9千萬(wàn)個(gè)公共照明中大約有三分之一采用高壓汞燈等非常沒(méi)有效率的發(fā)光技術(shù)。電子化街道倡議的目標(biāo)主要是研究采用智能網(wǎng)絡(luò)控制照明系統(tǒng)來(lái)降低能源消耗，例如具備網(wǎng)絡(luò)功能的照明架構(gòu)可以通過(guò)控制在深夜交通較不繁忙時(shí)降低照明輸出來(lái)節(jié)省能源，從這里我們可以看出，為什么對(duì)新技術(shù)如何克服這些挑戰(zhàn)的了解會(huì)吸引眾多注目的多項(xiàng)原因。

　　事實(shí)上有幾個(gè)理由可以解釋為什么高亮度白光LED在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)受到歡迎，首先也是最重要的是它們的超長(zhǎng)壽命，經(jīng)過(guò)適當(dāng)工程設(shè)計(jì)的LED系統(tǒng)可以維持在亮度70%以上達(dá)到超過(guò)5萬(wàn)個(gè)小時(shí)的工作壽命，由于這樣長(zhǎng)的壽命，戶外區(qū)域照明可以達(dá)到超過(guò)12年的運(yùn)行時(shí)間，大幅度地降低后續(xù)的維護(hù)和更換成本。再者，LED不管是在性能或成本上都持續(xù)快速進(jìn)步，目前已經(jīng)商業(yè)化的高功率白光LED可以達(dá)到每燈管70到100流明的光度輸出，效率大約在70 lm/W，光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA, Optical Industry Developers Association)最近更新了有關(guān)白光LED的發(fā)展藍(lán)圖，并預(yù)估在2009年整體性能將可以提升一倍，到達(dá)每燈管200流明，發(fā)光效率則可望達(dá)到150 lm/W，做為參考比較，100 W金鹵HID燈大約可以產(chǎn)生8,000到9,000流明輸出。基本上直接將這類燈管和LED的輸出比較并不公平，原因是燈管的光度輸出是全方向，因此在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損失，但在LED上則沒(méi)有這些問(wèn)題，原因是它們本質(zhì)上就具有指向性。不考慮流明損失效應(yīng)時(shí)，大約需要120個(gè)每封裝70lm的LED才能夠取代100 W燈管的流明輸出，如果2009年OIDA的目標(biāo)達(dá)成，這個(gè)數(shù)字將可以減半。此外，白光LED能夠提供質(zhì)量更好的光度輸出，特別是和高壓鈉燈比較時(shí)，因?yàn)樗鼈儠?huì)有燈光黃化和較差的顯色指數(shù)(CRI, Color Rendering Index)等問(wèn)題。LED同時(shí)也可以提供給設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行創(chuàng)新和差異化照明燈具設(shè)計(jì)的更高靈活度，此外，由于LED為低壓直流器件，因而使得建立新離網(wǎng)型照明概念，例如結(jié)合太陽(yáng)能和可充電電池的LED發(fā)光站牌就變得相當(dāng)容易，目前這類系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始在倫敦等城市導(dǎo)入。

　　LED陣列燈具的設(shè)計(jì)因所在位置的特殊照明需求會(huì)有大幅度變化，目標(biāo)照明區(qū)域依照明高度以及和照明源間的距離而定，例如行人或腳踏車(chē)道的照明燈柱間隔相對(duì)較窄，因此需要20個(gè)LED來(lái)提供照明，而在住宅區(qū)街道則需要100個(gè)或更多的LED。另外，由于主要目的是要照亮道路而不影響街道旁的住家，因此街道照明會(huì)有相當(dāng)特別的發(fā)光模式要求，同時(shí)這些特別模式也必須滿足各種不同安裝型式所要求的復(fù)雜光學(xué)工程設(shè)計(jì)。此外，在LED使用數(shù)量和驅(qū)動(dòng)電流上也必須進(jìn)行權(quán)衡?；旧?，采用較高電流驅(qū)動(dòng)的較少數(shù)量LED看起來(lái)是個(gè)可行的選擇，但較高的電流和功耗卻會(huì)讓溫度管理復(fù)雜化，此外，LED的效率會(huì)隨著電流和接面溫度的升高而降低，當(dāng)然我們也必須記住，要達(dá)到指定的LED壽命，就必須遵守接面溫度的指定規(guī)范，在采用LED照明時(shí)，溫度管理是個(gè)相當(dāng)重要的因素，原因是散熱集中在LED的封裝上，因此必須要由燈具移除。

　　LED照明可以由一或多個(gè)LED陣列搭配將交流電源轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED所使用電流的控制電路組成，由于區(qū)域照明需求通常需要各種不同的流明度輸出，因此可以考慮選擇包含一串LED和驅(qū)動(dòng)電路的模塊化設(shè)計(jì)，并依所需的光度輸出使用多個(gè)LED燈條，這個(gè)概念的優(yōu)點(diǎn)是相同的電路設(shè)計(jì)可以通過(guò)在不同照明需求下增加更多的陣列而重復(fù)利用。另外，由于在照明源中使用多個(gè)陣列，因此如果有單一LED出現(xiàn)問(wèn)題，那么只會(huì)有一部分的LED停止運(yùn)作，而整個(gè)照明源還是能夠以較低的亮度繼續(xù)提供照明輸出，電子控制電路則必須符合產(chǎn)業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在歐盟中，這類產(chǎn)品屬于IEC61000-3-2等有關(guān)電力線諧波失真(功率因數(shù))的規(guī)范，不過(guò)雖然在美國(guó)等地區(qū)并不使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但電力公司通常也會(huì)對(duì)不計(jì)量的區(qū)域照明要求最低0.90的功率因數(shù)。雖然我們可以使用較笨重的主頻率(50/60 Hz)電感器和電容器來(lái)提供無(wú)源解決方式，但有源開(kāi)關(guān)模式經(jīng)常被應(yīng)用到鎮(zhèn)流器中，后者通常還會(huì)在主電源轉(zhuǎn)換電路前加入升壓式功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器來(lái)提供功率因數(shù)校正。

　　另一個(gè)額外的考量則是是否需要進(jìn)行電流隔離來(lái)達(dá)到安全性，對(duì)于不容易更換的區(qū)域照明源，事實(shí)上相當(dāng)容易見(jiàn)到非隔離的設(shè)計(jì)，采用非隔離設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以以成本較低的電感器來(lái)取代笨重的變壓器。接下來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的實(shí)際需求考慮也相當(dāng)重要，雖然LED需要定電流驅(qū)動(dòng)，但這個(gè)電流卻不一定需要是純直流，因此也可以以脈波式直流波形來(lái)推動(dòng)，只要平均和最大電流值符合LED本身所指定的電流規(guī)范即可。再者，雖然RMS電流輸出必須經(jīng)過(guò)控制，但LED對(duì)電源展現(xiàn)的是固定負(fù)載的形式，使得電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性不會(huì)成為問(wèn)題，也因此，我們可以使用安森美半導(dǎo)體的NCP1216控制芯片搭配上一個(gè)高功率MOSFET、一顆電感以及少數(shù)外接無(wú)源器件，在一個(gè)單功率級(jí)電路上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單高能效的PFC和定電流轉(zhuǎn)換器，由于輸出通常不需濾除100/120 Hz主電源的頻率成份，因此可以不需在電路中使用大型電解電容，如此不僅可以縮小電路尺寸，同時(shí)還能改善整體電源的可靠度，圖1為相關(guān)電路的電路圖。

　　圖1 115Vac, 350mA配置的電路設(shè)計(jì)圖

　　這個(gè)電路圖顯示了非隔離轉(zhuǎn)換器電路的最基本實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)有經(jīng)驗(yàn)的讀者將可以看出，這是一個(gè)將交流主電源電壓以D1到D4進(jìn)行整流，接著通過(guò)由電感器L1、MOSFET開(kāi)關(guān)Q1、輸出電容C4以及控制器所組成降壓電路轉(zhuǎn)換到較低電壓的簡(jiǎn)單降壓式轉(zhuǎn)換電路。在這個(gè)90到135 Vac輸入的特定電路中，由并行電流傳感電阻R4、積分電路R6和C6以及光電耦合器所組成的簡(jiǎn)單反饋網(wǎng)絡(luò)可以讓這個(gè)電路以定電流輸出模式運(yùn)作。通常在非隔離式設(shè)計(jì)中并不需要光電耦合器，但在這里用它來(lái)對(duì)LED串頂端的電流傳感信號(hào)進(jìn)行移位處理，這個(gè)電路的特殊實(shí)現(xiàn)方式使得它能夠提供高功率因數(shù)和定電流輸出，降壓輸入電容C2，通常又稱為降壓電容則必須對(duì)輸入橋式整流電路上所出現(xiàn)的120 Hz全波整流波形擁有高阻抗，否則功率因數(shù)就會(huì)如電容式輸入濾波器一樣出現(xiàn)大幅劣化的情況，這個(gè)電容的典型值大約在0.1μF到0.47μF的范圍，主要依電路的目標(biāo)輸出功率而定。

　　電感L1在設(shè)計(jì)上主要是電感值要夠低以便讓降壓式轉(zhuǎn)換器可以在非連續(xù)導(dǎo)電模式下運(yùn)作，這對(duì)電路的高功率因數(shù)相當(dāng)重要，這也代表了在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)存于電感器中的能量會(huì)下降到0，同時(shí)流經(jīng)它的電流也會(huì)在Q1導(dǎo)通進(jìn)行下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期前停止。通常降壓式轉(zhuǎn)換器會(huì)以連續(xù)導(dǎo)電模式運(yùn)作，二極管D6在Q1斷開(kāi)時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)電感器電流永遠(yuǎn)大于0，后者需要較高的L1電感值，不過(guò)扼流圈中的電流紋波成份可以變得相當(dāng)?shù)?，將有助于通過(guò)C4的電容性濾波輸出降到最低。在非連續(xù)導(dǎo)電模式中，C4的值也可以相當(dāng)小，原因是它只需用來(lái)濾除電流波形中的高頻開(kāi)關(guān)成份，LED負(fù)載上出現(xiàn)的輸出紋波波形為降壓轉(zhuǎn)換器輸入端120Hz脈波式直流的縮小版本，C4的典型值大約在1到5 μF，同時(shí)應(yīng)該采用低ESR的聚丙烯薄膜電容。

　　NCP1216控制器在實(shí)現(xiàn)上是以占空比或MOSFET的脈波寬度通過(guò)由光電耦合器所提供引腳2上的反饋信號(hào)控制，電阻R3將控制器設(shè)定為傳統(tǒng)的PWM模式而非電流模式，反饋信號(hào)通過(guò)由R6和C6組成的RC網(wǎng)絡(luò)積分，因此120Hz波形的平均直流值被用來(lái)做為反饋信號(hào)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成了大約在10 Hz處的低頻極點(diǎn)，因此光電耦合器不會(huì)對(duì)輸出紋波的120Hz波封進(jìn)行反應(yīng)，所得到的結(jié)果則是MOSFET會(huì)在開(kāi)關(guān)周期中維持固定的導(dǎo)通時(shí)間，這個(gè)低帶寬閉環(huán)路情況對(duì)高功率因數(shù)而言也是必要條件，因此由以上所描述的電流運(yùn)作可以看出，降壓式轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗看起來(lái)為純電阻，也使得輸入主電流波峰會(huì)和輸入電壓波峰一樣，同時(shí)功率因數(shù)會(huì)接近一單位，而控制器也能夠維持不受主電源線路電壓或LED順向壓降影響的平均電流大小，提供給LED負(fù)載穩(wěn)定的固定平均電流輸出，電流環(huán)路的增益為光電耦合器電流轉(zhuǎn)換函數(shù)斜率的函數(shù)，能夠適用于典型的定電流運(yùn)作LED負(fù)載。

　　這個(gè)電路配置事實(shí)上有一些限制，最高串行連接LED正向電壓(Vf max)為最低交流輸入電壓、輸出電容C4以及NCP1216最高占空比的函數(shù)，這個(gè)數(shù)字可以由下列的簡(jiǎn)單相對(duì)關(guān)系取得：Vf max (dc)=0.55Vac (min)，因此對(duì)90到135Vac的輸入來(lái)說(shuō)，如果固定光度輸出必須維持到壽命終了，我們可以得到Vf max=0.55×90=49.5Vdc，如果Vf比這個(gè)數(shù)字高上很多，那么輸出將會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)電流下滑。此外，如前面所討論，要達(dá)到良好的功率因數(shù)，流經(jīng)電感器的電流必須為非連續(xù)，因此帶來(lái)了最低LED數(shù)量的限制。最佳電感值將受到主電源線路電壓和LED燈串整體串行順向壓降Vf的影響，測(cè)試顯示，假設(shè)主電源線路電壓變化在標(biāo)準(zhǔn)情況，同時(shí)LED的Vf介于最高Vf到它的50%之間，以下的電感值將適用于大部分的離線式應(yīng)用，假設(shè)PWM控制器的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，那么在90到135Vac的輸入范圍內(nèi)，平均LED電流為350mA時(shí)的電感值在220到250μH之間，對(duì)190到285Vac的輸入范圍，350mA平均LED電流的電感值則為390到470μH，圖2和圖3分別描述了正常工作條件下的功率因數(shù)和電流調(diào)整表現(xiàn)。

　　圖2 輸入電壓和電流波形Vin = 115 Vac, Vf = 31V, Iout = 350 nom

　　圖3 功率因數(shù)和電流調(diào)節(jié)相對(duì)于LED順向電壓的關(guān)系Vin = 115Vac

　　由以上可以看出，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED陣列的優(yōu)化高功率因數(shù)單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)電路，雖然例子中的電路是以115 Vac主電源電壓運(yùn)作，基本上我們也可以通過(guò)更改器件的簡(jiǎn)單動(dòng)作來(lái)支持較高的工作電壓，并將電感值修改到可以確保非連續(xù)導(dǎo)電作行來(lái)滿足230 Vac或277 Vac的應(yīng)用，以230 Vac工作條件來(lái)說(shuō)，這個(gè)電路可以驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量將可以倍增，讓單一驅(qū)動(dòng)電路可以推動(dòng)更多的LED。

　　在區(qū)域照明應(yīng)用中使用LED陣列已經(jīng)開(kāi)始吸引全球的目光，同時(shí)各地也開(kāi)始陸續(xù)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試和小數(shù)量的導(dǎo)入計(jì)劃，許多政府組織已經(jīng)了解LED技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，這點(diǎn)可以從交通號(hào)志的廣泛導(dǎo)入看出。他們已經(jīng)明白，長(zhǎng)效壽命的產(chǎn)品并不需要相同的維護(hù)成本，不過(guò)在總體擁有成本以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或統(tǒng)籌考量上還要克服一些問(wèn)題，例如大部分公共區(qū)域的燈管并未經(jīng)過(guò)計(jì)量，而依管理方式的不同，地方電力單位也必須要有一套依照使用燈管數(shù)量和型式進(jìn)行計(jì)費(fèi)的機(jī)制，此外，維護(hù)和運(yùn)營(yíng)也可以委外或由城市自己管理，因此也讓經(jīng)濟(jì)效益分析以及決策過(guò)程變得相當(dāng)復(fù)雜。目前采用LED做為區(qū)域照明的經(jīng)濟(jì)效益和功耗節(jié)省大大地受到所取代照明源以及使用條件影響，例如美國(guó)北卡羅來(lái)納州的萊禮市就將停車(chē)場(chǎng)的140根120 W高壓鈉光燈以LED照明裝置取代，降低能源消耗達(dá)40%，同時(shí)幾乎沒(méi)有年度維護(hù)成本，這在LED在有關(guān)光度輸出、發(fā)光效率和成本效益表現(xiàn)持續(xù)改善的趨勢(shì)下，將會(huì)越來(lái)越有吸引力，相當(dāng)明顯地，在未來(lái)幾年我們將可以看到LED出現(xiàn)在越來(lái)越多的區(qū)域照明應(yīng)用上，特別是只需少量LED的較低功率照明應(yīng)用以及光度輸出可以依應(yīng)用特定需求進(jìn)行變化的設(shè)計(jì)，對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路必須進(jìn)行優(yōu)化以符合電力和規(guī)范要求，同時(shí)也必須具備足夠的彈性來(lái)滿足多變的LED配置，才能達(dá)成廣泛受到采用的經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)。