本應用筆記探討了發光二極管(LED)在通用照明應用中的發展趨勢，對比了LED與其它照明技術的性能，分析了LED燈設計以及在替代現有照明方案時主要面臨的挑戰。

LED照明的發展趨勢

發光二極管(LED)是一項快速發展技術，正在廣泛用于眾多通用照明領域，通常稱作固態照明。LED照明的典型應用是：室內照明(用于商業、工業及住宅環境)、室外照明(路燈、停車場照明)以及建筑、裝飾照明等，最初，發光二極管由于能夠發射整個頻譜的彩色而被用于裝飾照明。

某些情況下，LED已經成為建筑照明的有效方案。與其它照明技術相比，LED具有更優異的性能，因而成為當前通用照明市場的主流方案：

• 與其它照明技術相比，LED具有更長的使用壽命。LED的工作壽命長達50,000個小時，而白熾燈的使用壽命只有1,000至2,000個小時，小型熒光燈(CFL)的使用壽命大約為5,000至10,000小時。使用壽命上的顯著優勢使得LED非常適合那些需要投入較大人力成本更換照明燈的商業和工業應用。
  
  
• 能效優于白熾燈和鹵素燈，等同于熒光燈。另外，LED的效率也在不斷提高；白光LED (WLED)的效率在隨后3至4年內預計提高大約50%。
  
  
• 更小的外形尺寸。LED燈的外形尺寸等同于MR16和GU10，而CFL無法滿足這類應用。
  
  
• 可以采用適當的驅動器提供亮度調節。對于需要調節亮度的應用，熒光燈在技術上具有局限性。盡管傳統的LED設計也遇到了類似問題，但是Maxim提供的LED驅動創新方案兼容于可控硅調光和后沿調光設計。
  
  
• 具有較強的發光方向性。與其它照明技術不同，LED非常適合需要定向照明的應用，例如：小角度反射燈。
  
  
• 溫度較低時具有更高效率。熒光燈的工作效率在低溫時會下降。相比之下，LED非常適合低溫工作環境，例如：冰箱燈。
  
  
• 可輕松更改發光顏色。這一優勢使得RGB LED成為建筑和情景照明的理想選擇，能夠根據具體要求實時更改燈光顏色。
  
  

總之，LED具有白熾燈和熒光燈所不具備的眾多優勢。基于這些優勢，設計人員也在不斷地發掘適合LED照明的更多應用，但是，由于篇幅有限，我們不在此贅述。本文將主要討論LED照明換代產品，用于替代相同規格的白熾燈、鹵素燈或熒光燈。這些LED燈必須能夠安裝到現有規格尺寸內并兼容現有的基礎設施。

LED換代燈

許多人認為LED換代燈是當前LED照明增長最快的市場。快速增長的原因很簡單：這些照明燈不需要更新電氣基礎設施(即布線、變壓器、調光器和插座)，這是LED技術的顯著優勢。


PAR20產品圖片由LEDtronics, Inc.贊助提供


LuxDot?產品圖片由LedEngin?, Inc.贊助提供

對于設計人員，將LED燈安裝到現有的基礎架構上主要存在兩方面的挑戰：

1. 外形尺寸。換代燈必須能夠安裝到前期燈源的框架內。
   
   
2. 電氣兼容。換代燈必須能夠在現有的電氣架構上正常工作，不會發生燈光閃爍。

下面，我們將逐一討論每項挑戰。

安裝到現有框架

現有框架對換代燈提出了物理限制(即驅動板必須足夠小)和熱限制要求。這些因素制約了設計人員更換照明方案的條件(例如PAR、R和A型規格)，尺寸越小的應用所面臨的困難也越大，例如MR16和GU10。

尺寸是制約換代方案的關鍵因素，而熱限制往往更加關鍵。LED只發射可見光，與其它技術不同，它們不產生紅外波輻射能量。因此，白光LED比白熾燈或鹵素燈的能效更高，絕大多數熱量通過燈內導體耗散。

散熱是制約燈管所能產生的光強的關鍵因素，目前在照明換代產品中使用的LED技術很難達到主流市場所能接受的亮度水平。為了突破亮度限制，需要解決散熱問題，這也是產品成功地走向商業化必不可少的條件。

散熱問題還直接影響到驅動板的使用壽命。為了發出更高光強，照明燈必須工作在相當高的溫度下(+80°C至+100°C)。這種溫度下，驅動板的壽命會限制整個照明燈的工作，特別是電解電容成為設計面臨的一個棘手問題。因為電解電容在高溫下會很快干燥，在這樣的條件下，這種電容的工作壽命不會超過數千小時，這也成為制約整個照明燈使用壽命的因素。較長的工作壽命是LED燈的一個主要賣點，對于設計者來說，壽命相對較短的電解電容成為設計的主要屏障。

Maxim針對120VAC/230VAC輸入和12VAC輸入換代燈推出了獨特的LED驅動方案。這些LED驅動方案可以省去電路板上的電解電容，使LED燈的壽命從通常的低于10,000小時延長到90,000小時。由于省去了電解電容，還有助于縮小方案尺寸，使驅動板能夠安裝到小尺寸換代燈框架內。

兼容于電氣基礎架構

LED換代燈必須在現有基礎設施下正常工作，包括切角(三端雙向可控硅和后延)調光器和電子變壓器。

接入120VAC/230VAC電源時，照明燈可以首先通過三端雙向可控硅調光器調節。三端雙向可控硅調光器的設計能夠很好地配合白熾燈和鹵素燈工作，這些燈都是純阻性負載。但是，使用LED改造燈時，LED驅動器通常為非線性、非純電阻負載，輸入橋式整流器通常在交流輸入電壓處于正向和負向峰值時瞬態吸收大電流。三端雙向可控硅調光器無法保障LED的這一需求，因為它既不能提供所需的啟動電流，也不能提供保持電流。從而使調光器不能正常啟動或在工作時正常關閉，而且還會造成LED閃爍，這也是系統無法接受的現象。

作為換代產品，其電氣架構更加符合12VAC輸入照明燈的設計，因為電子變壓器和后沿調光器可以連接到照明燈的輸入。但是，12VAC輸入照明燈的驅動器采用的是傳統的橋式整流器和DC-DC轉換器拓撲，由于變壓器和調光器的不兼容性，同樣也會產生閃爍。

Maxim的120VAC/230VAC和12VAC輸入照明燈的解決方案采用單級轉換。通過對輸入電流整形，可以使照明燈在調光狀態下也不會發生閃爍，這些方案兼容于雙向三端可控硅和后沿調光器及電子變壓器設計。目前，還沒有一款MR16方案具備這一特性，也很少有PAR、R和A型燈方案具備這一特性。此外，我們的解決方案還具有優于0.9的功率因數修正，需要極少的外部元件。無需電解電容，這些電容在高溫環境下會嚴重制約驅動電路的工作。120VAC/230VAC和12VAC解決方案均采用MAX16834 IC，可以供用戶評估并投入批量生產。這些都是Maxim的獨有方案，Maxim也是唯一能夠提供這種優勢組合的供應商。


MR16 (上圖)和離線(下圖)式照明燈的方案框圖。