Hoe u grote en kleine krachtige LED-verlichtingsoplossingen kiest?
Of het nu gaat om high-power of low-power LED-verlichtingstoepassingen, het is over het algemeen samengesteld uit voeding, LED-driver, LED, lens en substraat. Het belangrijkste onderdeel is de LED-driver, die een constante stroomuitgang moet leveren voor het door de LED uitgestraalde licht. Het flikkert en dimt niet en veroorzaakt geen LED-kleurverschuiving. Het accepteert over het algemeen 24V-48V DC-spanningsinvoer, maar er zijn ook enkele geavanceerde LED-stuurprogramma's die direct 220V AC-invoer kunnen accepteren.
De belangrijkste ontwerpuitdagingen voor de toepassing van LED-verlichtingsoplossingen omvatten de volgende aspecten: warmteafvoer, hoog rendement, lage kosten, dimmen zonder flikkering, breedbereik dimmen, betrouwbaarheid, veiligheid en eliminatie van kleurzweem. Deze uitdagingen moeten worden opgelost door de uitgebreide toepassing van geschikte voedingssysteemtopologie, elektrische aandrijftopologie en mechanisch ontwerp.
Liang Houquan, Director of Technology Marketing van Diodes Asia Pacific, merkte op:"Voor ontwerpers zal de grootste technische uitdaging hoge efficiëntie-eisen, optisch ontwerp, thermisch beheer en verbetering van de betrouwbaarheid van bepaalde toepassingen, zoals hoge- helderheid LED-straatverlichting. We bieden nu een reeks LED-verlichtingsoplossingen voor toepassingen van 0,1 W tot 250 W."
LED-fluorescentielampprogramma"Bij de toepassing van een LED-verlichtingsprogrammasysteem omvat een compleet ontwerp van een LED-verlichtingsprogramma, naast het selecteren van geschikte LED-producten, ook optisch ontwerp, thermisch ontwerp, productontwerp en elektrisch aandrijfontwerp. Aangezien LED's laagspanningsapparaten zijn, zal het converteren van hoogspannings-wisselstroomvoeding naar laagspannings-constante-stroomdrivers voor LED's met veel uitdagingen worden geconfronteerd." Zheng Qian, senior applicatiemanager van ON Semiconductor China, merkte op:"Bovendien moeten elektrische LED-drivers voor de voordelen van LED-verlichting betrouwbaar en hoog zijn. Efficiënt, veilig en goedkoop. Daarom moet u voor verschillende LED-verlichtingstoepassingen eerst de juiste elektrische aandrijftopologie selecteren." ON Semiconductor kan nu alle LED verlichtingsoplossingen leveren in het vermogensbereik van 1W tot 500W.
Om de markt voor LED-verlichtingsoplossingen snel op gang te brengen, heeft National Semiconductor Corporation (NSC) zich onlangs gericht op een zeer grote directe vervangingsmarkt voor gloeilampen, dat wil zeggen het rechtstreeks vervangen van gloeilampen in bestaande woningen of andere toepassingsmarkten met LED-lampen, en gelanceerd. Voor deze markt is een LED-driverchip LM3445 met directe netvoeding ontwikkeld.
Wu Zhimin, productmarketingmanager voor NSC Asia Pacific Power Management, zei echter:"Gloeilampen zijn al vele jaren beschikbaar. Al vele jaren met ongewijzigde technische normen volgen onze verlichtingssystemen voor thuis vele jaren ongewijzigde technische normen. De situatie kan niet van de ene op de andere dag worden veranderd. Door zaken als warmteafvoer en lichthoeken zijn de originele ouderwetse lichtfittingen of apparaten bijvoorbeeld niet geschikt om led-lampen in te plaatsen. Echter, naast technische problemen, maakt kosteneffectiviteit ook LED-verlichting onmogelijk. De grootste reden voor de populariteit. Gloeilampen en neonbuizen van wolfraam zijn ongeveer $ 0,6-0,7 / Klm, maar de huidige prijs van LED-lampen is nog steeds zo hoog als $ 40-50 / Klm."
Zoals hierboven vermeld, aangezien de LED-lamp in de originele oude fitting moet kunnen worden geïnstalleerd, is warmteafvoer een groot probleem dat moet worden overwonnen. Maar strikt genomen kan dit worden opgelost door werktuigbouwkundige technologie. De verantwoordelijkheid van fabrikanten van LED-systemen is om hard te werken om nieuwe technologieën te ontwikkelen om de helderheid van LED's te maximaliseren (dat wil zeggen, de hoeveelheid geproduceerde lumen per eenheid vermogen). Wu Zhimin zei vol vertrouwen:"We kunnen de meest efficiënte LED-driver leveren om ervoor te zorgen dat de warmteafvoer van het gehele verlichtingssysteem kan worden geminimaliseerd."
De relatief hoge kostprijs van LED's is het belangrijkste obstakel dat voor de LED-verlichtingsmarkt nog steeds moeilijk op grote schaal van de grond komt. Alexander Sommer, Product Marketing Director van de Power Management Business Unit van Infineon Technologies Co., Ltd. zei bijvoorbeeld: "De meest typische LED-verlichtingstoepassingen van minder dan 25W zijn signalisatielampen, signalisatielampen en alternatieve standaard gloeilampen en halogeenlampen. Vergeleken met de technologie van fluorescentielampen en gloeilampen, vormen de initiële kosten van LED nog steeds een groot obstakel om de massamarkt te betreden."
Cytech-product- en ontwerpingenieur Xu Ruibao is het er ook mee eens dat de belangrijkste commercialiseringsuitdaging de kosten zijn. Hij zei:"Momenteel zijn LED-verlichtingssystemen met verschillende vermogens elektrisch haalbaar. De technische uitdaging komt van de vereisten van terminaltoepassingen, zoals toepassingen in auto's, die rekening moeten houden met optisch ontwerp en het algehele ontwerp van warmteafvoer. Commerciële inzet De uitdaging zit hem vooral in de kosten van leds."
Overwegingen voor warmteafvoer bij het ontwerp van LED-verlichting
LED-verlichtingssysteemsystemen van minder dan 25 W zijn over het algemeen ontworpen voor toepassingen zoals leesbureaulampen, gangverlichting, woonkamerspots, thuisverlichting, nachtverlichting, enz. Klanten hopen over het algemeen dat dergelijke toepassingen zo klein mogelijk zijn ontworpen, zodat de PCB kan worden geplaatst De ontwerpruimte is relatief klein, waardoor de temperatuur in de verpakkingsruimte bij langdurig gebruik erg hoog kan zijn. Aangezien het onwaarschijnlijk is dat de ontwerper er een koelventilator in zal installeren, wordt het koelontwerp zeer kritisch en belangrijk.
& quot;De meeste energiezuinige LED-verlichtingstoepassingen van minder dan 25W vereisen een zekere mate van miniaturisatie. Dit leidt vaak tot een hogere vermogensdichtheid, ook al is het stroomverbruik niet groot. Adequate beheersmaatregelen voor warmteafvoer moeten worden geboden door verbeterde mechanische constructies. Bovendien helpt een hoge elektrische efficiëntie het stroomverbruik te verminderen.” AlexanderSommer merkte op: "Als je de thermische weerstand verder moet verminderen, kan dit worden gedaan door elektrische isolatie, omdat het de hoogste efficiëntie van warmteoverdracht kan bereiken. Deze methoden zorgen ook voor een geoptimaliseerde lumenoutput."
Een andere manier om te voorkomen dat de LED langdurig oververhit raakt, is het gebruik van een dimoplossing. SangCheolHer, de productmarketingmanager voor hoogspannings-IC's van Fairchild Semiconductor, zei: "Vergeleken met fluorescentielampen en gloeilampen is het gebruik van dimoplossingen een belangrijke manier om het stroomverbruik van LED's te verminderen. Deze oplossing wordt gerealiseerd door controllers te dimmen. Vooral voor minder dan 25W Vanwege het kleine PCB-formaat en de beperkte verpakkingsruimte is het warmteafvoerprobleem onvermijdelijk voor de LED-driveroplossing van het bedrijf, dus deze oplossing is nog belangrijker."
In dit vermogensbereik zal LED-verlichting zelfs halogeenlampen en compacte fluorescentielampen (CFL) vervangen. Om het probleem van warmteafvoer op te lossen, moet geavanceerde technologie bovendien passieve componenten verwijderen, zoals elektrolytische condensatoren die gevoelig zijn voor temperatuurveranderingen. De meeste van de huidige LED-driveroplossingen zijn echter afgeleid van de voedingstopologie en hierop gebaseerd, dus het temperatuurbereik moet worden overwogen, omdat algemene producten meestal gebaseerd zijn op commerciële normen, maar ze moeten zich kunnen aanpassen aan zware industrieën zoals als industrieën.
Architectuurselectie van LED-verlichtingsschemaontwerp
De keuze van de systeemarchitectuur voor LED-verlichtingsoplossingen hangt af van of uw ontwerpdoel lage kosten, hoge efficiëntie of minimaal PCB-oppervlak is. Over het algemeen hebben LED-verlichtingssystemen van minder dan 25W geen vermogenscorrectie nodig, dus een eenvoudigere topologie zoals PSR- of Buck-topologie kan worden toegepast. 25W-100W LED-verlichtingstoepassingen vereisen vermogenscorrectie, dus over het algemeen worden enkeltraps PFC, quasi-resonante (QR) PWM of flyback-topologie gebruikt. LED-verlichtingstoepassingen van meer dan 100 W gebruiken over het algemeen de efficiëntere LLC-topologie en tweetraps PFC.
& quot; LED-verlichtingsoplossingen met een vermogen van minder dan 25 W kunnen PSR- of Buck-topologie gebruiken, omdat dit vermogensbereik voornamelijk voor kleine ontwerpen is, wat de eenvoud van het ontwerp benadrukt. De medium power-oplossing (25W-100W) is geschikt voor eentraps PFC, quasi-resonante (QR) PWM, flyback-topologie." SangCheolHer zei:" Krachtige oplossingen (meer dan 100 W) zijn geschikt voor LLC, QRPWM, flyback-topologieontwerp. Vanuit het oogpunt van efficiëntie zijn de prestaties van LLC en QR beter; en Het PSR-schema vereist geen secundaire feedback, is eenvoudig van opzet en heeft een kleinere omvang dan andere schema's."
Zheng Qian zei ook: "LED-lampen van minder dan 25W worden voornamelijk gebruikt in binnenverlichting en ze gebruiken voornamelijk goedkope flyback-topologie. ON Semiconductor's NCP1015 en NCP1027 monolithische conversie geïntegreerde schakelingen integreren ingebouwde hoogspannings-MOSFET's en PWM-controllers. Het kan het PCB-gebied en het volume van de lamp effectief verminderen en een maximaal uitgangsvermogen van 25W (230VAC-ingang) leveren."
& quot;Voor niet-geïsoleerde LED-verlichtingstoepassingen met minder dan 25W, als de input-output-conversieverhouding laag is, kan een eenvoudige step-down-converter een goedkope keuze zijn met een klein volume. Gebruik in de geïsoleerde topologie waar efficiëntie belangrijk is, een quasi-resonante flyback-topologie van apparaten uit de Ling CoolSETICE2QS-serie is een goede keuze." zei Alexander Somer. Infineon is de eerste leverancier die digitale quasi-resonante flyback-besturings-IC's levert.
Typische LED-verlichtingstoepassingen in het vermogensbereik van 25W-100W zijn straatverlichting (gemeentelijke wegen) en openbare plaatsen zoals parkeerplaatsen. Energieconversie-efficiëntie, kosteneffectieve realisatie van PFC-functie en hoge kleurkwaliteit zijn nu de drie belangrijkste technische uitdagingen. In commerciële verlichting en straatverlichtingstoepassingen helpen een langere levensduur en de daaruit voortvloeiende lagere kosten bijvoorbeeld de drempels voor het betreden van hogere initiële kosten te overwinnen. LED-verlichtingstoepassingen van 25W tot 100W hebben vermogensfactorvereisten, dus het correctievermogen van de arbeidsfactor moet worden verhoogd.
& quot;Dit soort elektriciteit kan de traditionele tweetrapsstructuur aannemen, dat wil zeggen de actieve PFC-elektriciteit (Power Factor Correction) plus de DC-DCPWM-conversie-elektriciteit, zoals ON Semiconductor' s power factor correction controller NCP1607, de perifere elektriciteit van de NCP1607 is heel eenvoudig en kan goede prestaties leveren." Zheng Qian zei:"Voor zeer efficiënte, goedkope en kleine LED-oplossingen is het de moeite waard om een eentraps PFC-circuit aan te bevelen, dat tegelijkertijd een arbeidsfactor en geïsoleerde laagspannings-DC-uitgang kan bereiken, en een aanzienlijk kostenvoordeel heeft, zal zeker de mainstream-oplossing worden voor middelzware LED-verlichting. De NCP1652 van ON Semiconductor biedt een optimale regeloplossing voor het realiseren van eentraps PFC-vermogen."
Shenzhen Shiqiang Telecom gebruikt SiliconLabs' C8051F3-serie 8-bit MCU om PFC in software te implementeren. Huang Sunfeng, assistent-marketingmanager van het bedrijf, zei: "We hebben een volledig digitale LED-verlichtingsoplossing ontwikkeld voor huishoudelijke lichtnet (180V-260V) ingang 10W-30W low-power LED-verlichtingstoepassingen, die door software kan worden bestuurd om een PFC-waarde van tot 0,95. Met hardware Vergeleken met PFC heeft deze softwareoplossing een hogere flexibiliteit, aanpasbaarheid en upgradebaarheid onder de premisse van dezelfde prestatie-index." De LED-driver MIC3230 die in deze oplossing wordt gebruikt, heeft een maximale uitgangsstroom van 350 mA en kan tot 12 A aansturen. 1W LED kan goed voldoen aan de behoeften van binnenverlichting.
Alexander Sommer zei:"Voor 25W-100W power LED-verlichtingstoepassingen die efficiëntie en prestaties vereisen over een breed ingangs- en/of belastingsbereik (zoals dimmen), wordt een quasi-resonante flyback-topologie met een PFC-trap gebruikt. Doorgaans kunnen efficiënties tot 90% worden bereikt."
Toepassingen van meer dan 100 W zijn onder meer hoofdweg- en openbare verlichting met hoge snelheid (waar een helderheid tot 20K lumen of meer en een opgenomen vermogen van 250 W vereist zijn) en professionele toepassingen, zoals toneelverlichting en architecturale schijnwerpers. Een belangrijke drijfveer voor het gebruik van LED's in krachtige toepassingen zijn de lage eigendomskosten vanwege de betrouwbaarheid en het lage stroomverbruik. Het systeemrendement is bijvoorbeeld vergelijkbaar met metaalhalogenide- en lagedruknatriumlampen. De initiële kostenvergelijking kan op korte termijn de toetredingsdrempel op deze markt blijven.
Zheng Qian wees erop:"Voor LED-toepassingen van meer dan 100W zullen we het traditionele actieve discontinue vermogensfactorcorrectiecircuit en halfbrugresonante DC-DC-conversiecircuit gebruiken. We hebben een nieuw type geïntegreerde controller gelanceerd, die een actieve, discontinue vermogensfactorcontroller en een halfbrugresonantiecontroller met hoogspanningsaandrijving integreert."
De halfbrugresonantieregelaar werkt met een vaste schakelfrequentie en een vaste inschakelduur, en de schakeling heeft geen terugkoppelingsregeling aan de uitgangszijde nodig. Hierdoor werkt de halfbrugresonante DC-DC-converter in de meest efficiënte ZVS- en ZCS-toestanden. De DC-uitgangsspanning zal de uitgang van het arbeidsfactorcorrectiecircuit volgen.
Alexander Sommer benadrukte: "Voor LED-verlichtingstoepassingen met een hoger vermogen van meer dan 100 W wordt efficiëntie belangrijker. Met behulp van LLC-resonantietopologie kan het een efficiëntie van meer dan 90% bereiken. We gebruiken Infineon's nieuwe 8-pins apparaat ICE1HS01."
Ongeacht het uitgangsvermogen van het LED-verlichtingssysteem, zal de keuze van het LED-driververmogen grotendeels afhangen van het ingangsspanningsbereik, de cumulatieve spanningsval van de LED-string zelf en de stroom die nodig is om de LED aan te drijven. Dit heeft geleid tot veel verschillende mogelijke LED-drivertopologieën, zoals buck, boost, buck-boost en SEPIC.
Tony Armstrong, Product Marketing Director van de Power Products Division van Linear Technology, merkte op: “Elke topologie heeft zijn voor- en nadelen. Onder hen is de standaard step-down converter de eenvoudigste en gemakkelijkste oplossing. -Boost-converters komen op de tweede plaats en SEPIC-converters zijn het moeilijkst te implementeren. Dit komt omdat het gebruik maakt van complexe magnetische ontwerpprincipes en ontwerpers moeten beschikken over uitstekende expertise op het gebied van schakelen tussen voedingen."
Kortom, de toepassing van het terminalproduct bepaalt de topologische structuur van de LED en selecteert vervolgens redelijkerwijs de Buck-, Boost-, SEPIC- of Buck-Boost-structuur volgens de topologische structuur van de LED en de ingangsvoeding."Over het algemeen wordt er meer dan 25W Bucks gebruikt. De sterkere hebben de neiging om de Boost-structuur te kiezen. In termen van efficiëntie kunnen beide over het algemeen meer dan 85% bereiken, en de LT3755 kan een efficiëntie tot 97% bereiken. Denk aan het rijdende gedeelte. Bij de stuklijstkosten moet rekening worden gehouden met de totale systeemkosten.” Xu Ruibao zei: "Naarmate de concurrentie toeneemt, zullen er altijd oplossingen met lagere stuklijstkosten zijn, maar deze zijn misschien niet de meest geschikte. Wij ontwerpen geen producten volgens deze norm. Het PCB-gebied wordt voornamelijk bestuurd door de hoofdcomponenten. De low-power LED-lampen moeten zoveel mogelijk een sterk geïntegreerde oplossing aannemen. De krachtige oplossing moet kiezen voor producten met een hoge technische integratie en eenvoudige externe voeding. De discussie hier verwijst naar DC-DC-oplossing."
Liang Houquan wees er ook op:"Om aan hoge efficiëntie-eisen te voldoen, moeten LED-drivers met schakelaarmodus worden overwogen. De meeste van deze klanten kiezen liever voor step-down LED-drivers omdat de algehele efficiëntie hoger is. Als je kijkt naar de laagste stuklijstkosten, zijn de switch LED-converters niet de goedkoopste. Dergelijke klanten kunnen proberen lineaire LED-stuurprogramma's met constante stroom te gebruiken. Dit kan de laagste stuklijstkosten opleveren, maar de efficiëntie is mogelijk niet zo hoog als de LED-stuurprogramma's met schakelmodus. Bijvoorbeeld uit het kleinste printplaatoppervlak. Vanuit het perspectief gezien, worden switch-mode converters meestal gekozen omdat ze minder warmte genereren en zelfs de gerelateerde componenten kleiner zullen zijn."
Analoge, PWM en TRIAC dimoplossingen
LED-dimoplossingen en specificaties veranderen voortdurend en zijn tot nu toe niet vastgesteld, dus nu zijn er PWM, analoog en thyristor (TRA
