贸泽电子Paul Golata

在过去的十年,很多照明设备都使用了LED,因为与传统的照明设备相比LED具有更多的优势:

  • 使用寿命更长,降低成本和维护费
  • 单位电能可以都产生更多的光,更高效
  • 通断操作更快速,并且没有任何不良影响
  • 尺寸更小,带来了更多的使用潜能
  • 面对打击、震动及机械压力,稳定性更高

LED在我们的生活中随处可见,无论是加油站的光罩,还是食品和服装的零售区位。白色的光照亮了我们的世界,并伴随着红光、绿光和蓝光,给我们了一个崭新的视角去瞭望生活。

同时,在我们肉眼无法察觉的光谱范围,LED也带来了改变,他改变了我们的应用。在可见光七彩色之外,LED实现了巨大的飞跃,他们正在颠覆紫外线和红外线光谱的应用,这种光是人类的视杆细胞及视为细胞的感知能力所无法企及的。

紫外线:七彩色蓝光之外的光

人类肉眼对色彩的感知能力大约在400nm-700nm的波长范围内。人们从小就知道,彩虹由六个基本色组成:红、橙、黄、绿、蓝、紫。当波长为430nm-495nm的光波摄入到人眼,被看到的是蓝色,波长小于430nm的光则显示为紫色。而当波长在400nm左右时,肉眼已经看不到紫色,不能再分辨它的颜色了。(图1)

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蓝色 430nm-495nm

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UV-A长波紫外线 360nm-430nm

图1:蓝光和紫光的波长(来源:贸泽电子)

比紫色光波更短的光是紫外线(UV),紫外线大约覆盖了三个光波区域:

  • UV-A(长波紫外线):315nm-400nm
  • UV-B(中波紫外线):280nm–315nm
  • UV-C(短波紫外线):100nm–280nm

短波紫外线主要应用于杀菌、消毒,这些高频光波的光子拥有比低频光谱更高的能量,他们主要用于破除难以处理的生物因子,其应用领域主要包括空气、水、医疗器械等的清洁工作。但由于半导体材料的带隙水平,获取波长短的光波是十分困难的。因此中波和短波紫外线的应用受到了限制,长波紫外线应用更为广泛。

紫外线灯在工业领域占据着一席之地得益于长波紫外线的应用,这是因为半导体制造商更擅长生产这种发射长波光线的半导体材料和产品。长波紫外线LED主要应用于三个领域:紫外线治疗、喷墨印刷、科学器械。下面我们就一起来探讨长波紫外线LED是如何在喷墨打印应用的。

喷墨打印是一种将高质量的数字图像传输到纸张和塑料等各种介质上的方法,喷墨打印所使用的墨水要么是被烘干的,要么是被固化的。传统的墨水一般是油墨或油墨溶剂。油墨或油墨溶剂的干燥分别是通过氧化作用和蒸发作用来实现的。这两个过程都需要施加一定的热量(红外加热),这不仅增加了打印时间,而容易导致收缩和扭曲。为了避免这样的结果,喷墨制造商研制出了通过长波紫外线来固化油墨的方法,也就是说当紫外线照射粘合剂和颜料的时候发生聚合反应,颜料被固化。这是因为来自长波紫外线的能量使反应物产生了与其他元素结合的自由基,这种自由基将粘合剂跟颜料稳固的连接起来。该方法的优点是,固化油墨不再需要将介质完全暴露在高温下,所以图像光滑且均匀。此外,这种方式十分环保,被紫外线固化的油墨百分百保留了油墨原料,不会产生蒸发作用和氧化作用的残余物,从而降低了污染、促进了环保。

很多年来,紫外线都是通过紫外线汞灯产生的。得益于宽光谱紫外线波长输出,这些紫外线汞灯能够加速喷墨打印进程,同时也使油墨的活性成分最大化。长光波紫外线led灯本来就是单色的,这限制了他们的固化功能。但如上述的LED灯的优势仍然是存在的。制造厂商仍然持续不断的改进油墨来配合最新的长波紫外线LED灯。这使得喷墨打印技术更适合于低生产率的设备,而不是高效率和高性能的系统。迄今为止,随着更高功率的长波紫外线灯的不断发展,他们将继续影响着这个行业。

许多LED灯公司都在扩张紫外线LED灯的市场供给,包括Lumileds、Led Engin、Luminus Devices、Everlight Electronics和Wurth Electronics等。例如:Lumileds LUXEON UV U Line LEDs就是一种大功率、高效率的器件(图2)。它们被设计的非常小,适用于以前的UV LED无法嵌入的地方,并且没有灯帽,可以被安装在物体表面,按阵列排列,他们之间只留有0.2毫米的空隙。它们的小尺寸允许精确的光学控制。这些LED可以提供波长为380nm–400nm和400nm–420nm的光波,可以应用于不同的领域,比如固化反应、医疗应用、分析仪器以及紫外线光化反应等。

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图2:Lumileds LUXEON UV U Line LEDs(来源:Lumileds)

针对高功耗紫外线LED,LED Engin研发了波长在385nm-410nm范围内小尺寸、高亮度UV LED元件,可以应用于油墨和粘合剂的固化、牙科治疗、牙齿美白、假冒公文的鉴定、设备消毒以及医疗应用。LZ4系列封装在7mm*7mm的基底上,LZC封装在 9mm*9mm的基底上,LZP系列封装在12mm*12mm的基底上,随着尺寸的增大,就可以有更多的die放到基底中(图3)

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图3 LED Engin的LZP00UB00系列的LED发射器

红外线:七彩色红光之外的光

七色光具有两个末端。在蓝色以下存在着比蓝光波长更短的紫外线,在七色光的另外一端,在红光之上,存在着另外一个波频——红外线。因得益于与生俱来的优势,紫外线有着丰富的应用,同样,红外线的应用也十分广泛。让我们一起来看看红外线LED的应用。

七色光中红光的边缘究竟在哪?让我们以此入手来进行探究。当波长为610nm-740nm的光射入眼睛时显示的是红色,但700nm波长以上的光人的肉眼就很难看到了。当提及红光与红外线的界线时,会有一些重叠。根据实际情况,我们通常把这一部分定义为700nm-740nm之间的光。

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红光610nm-740nm

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近红外线700nm-1500nm

图4 红光与红外线光波(来源:贸泽电子)

与紫外线拥有三个光波区域不同,红外线覆盖了五个光波区域:

  • 近红外线:700nm-1500nm
  • 短波红外线:1.5µ–3µ
  • 中波红外线:3µ–1,000µ
  • 长波红外线:8µ–8µ
  • 远红外线:15µ–1,000µ

每个区域的红外线都在工业和商业领域有所应用。这里,我们只讨论近红外线LED,这种灯尤其适合用在一些需要照明而人的肉眼无法看到的场景,而这些场景却极易以电子的方式感知到。近红外线LED的作用如此强大,就在于它拥有很多电子传感器,比如硅探测器,而这些电子传感器在近红外光谱中拥有非常理想的响应曲线。

近红外LED应用广泛,比如,近红外LED在监控上表现得尤为卓越,可以用于督查安全系统、闭路电视和机器视觉。近红外LED也被用于在高速公路上收费收集标签和车牌信息。在生物统计学中,近红外LED灯被用于访问控制及身份识别。与硅探测器一起,可以用于触摸屏、手势识别系统和烟雾探测器。如果你曾经看过热门电视剧《CSI》,你就会对获取线索十分熟悉,该过程就利用了光谱学,包括短红外光谱学。近红外光谱学还有一个振奋人心的新应用,那就是用来查明我们摄入物质的质量和特性,包括食品和药物。

同人类通过物体所反射的可见光才能看到物体一样,近红外光谱学利用近红外LED灯作为光源,照亮实验中的材料,这种材料基于其自身的内在物理特性能够吸收并反射光。实验同时设置一个波长选择性探测器来观察这些被反射的光,就能够提供实验对象的信息。这样一来,系统和用户就能通过与已知材料相比较,来确定某一材料的存在与否。

在过去,人们使用的是又大又繁琐的光谱学机器,但随着近红外LED的尺寸越来越小,功率越来越高, 近红外LED将更多的应用于手持设备和便携设备领域。

为了迎合该趋势,包括 Lumileds和Osram Opto Semiconductors在内的供应商们,已经研发出了各自的产品如Lumileds LUXEON IR LED(图5)和IR OSLON® Black Series(图6)。

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图5 Lumileds LUXEON IR LED

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图6 Osram Opto Semiconductors IR OSLON® Black Series LEDs

像Osram这样的公司是如何生产高功率NIR发光二极管(NIR LEDs)的呢?其中的秘密之一就是通过荧光粉转换。LED会将大部分光能输入在可见光谱范围之内,比如说蓝光。当这些可见光撞击到LED等上的荧光粉时,就会产生冷光,这就改变了光的波长。通过精心的设计和程序控制,各种近红外波长光就产生了,包括波长在850nm-940nm范围内的。灯罩进一步的决定了光的发射位置的方位。近红外光谱的带宽及性能可以通过在系统设计中使用一个以上的波长来得到改善。

结论

LED灯让生活更加美好,它的潜在优势促使设计师们设计出大量产品来满足人们的需求。紫外线灯涵盖了蓝色光以外的三个波长区域,其中的长波紫外线使能够在固化、喷墨印刷以及科学仪器消毒方面发挥作用。在波谱的另外一端,红外线灯覆盖了五个波长区域,近红外光谱有着完美应用。

从白炽光到LED的转变颠覆了照明世界,LED照明以更快的速度向前发展。其中很多照明应用来源于七色光的边缘之外,LED灯把紫外线和近红外线融入了设计,人类肉眼虽然无法看到这些光,但它却帮我们看到了七彩光以外的世界。

原文链接:http://www.mouser.com/applications/lighting-applications-found-at-end-of...

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引言

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法,有人说:在LED的伏安特性上,电压定了,电流也就定了。所以采用恒压和恒流效果是一样的。有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电,而LED串联时就应该采用恒流电源供电;有人说,因为LED是恒流器件,所以要用恒流源供电;有人说,采用市电供电时就应该采用恒压电源供电,采用蓄电池供电时,就应该采用恒流电源供电。至于为什么这样要求,似乎谁也说不明白。

那么,到底是应该采用恒压电源,还是恒流电源供电呢?

首先来看一下LED到底是什么样的器件。因为LED的亮度是和它的正向电流成正比,而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。所以大多数LED会给出额定电流,例如Φ5为20mA,1W的为350mA…等,但这并不等于LED只能工作于这些额定电流,更不意味着LED就是一个恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号,电流从350mA加大到700mA,功率就从1W加大成3W,所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。

要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。

1、LED的伏安特性

LED的中文名字就是发光二极管,所以它本身就是一个二极管。它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。

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图1. 小功率LED的伏安特性

假如用干电池或蓄电池供电,那么因为LED伏安特性的非线性,很小的电压变化就会引起很大的电流变化,上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED,如果用3节干电池供电,新的电池电压超过1.5V,3节就是4.5V,LED的电流就会超过100mA,很快就会烧坏。对于1W的大功率LED也是如此,图2是某公司1W的LED伏安特性,而一个12V蓄电池的电压,在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。相差将近20%。从伏安特性上可以看出,电源电压的10%的变化(3.4V-3.1V),就会引起正向电流的3.5倍的变化(从350mA变到100mA)。

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图2. 1W大功率LED的伏安特性

2.伏安特性的温度系数

到现在为止,还有很多人以为LED电压定了,电流也就定了,所以采用恒压和恒流是一样的。实际上,LED的伏安特性并不是固定的,而是随温度而变化的,所以电压定了,电流并不一定,而是随温度变化的。这是因为是LED是一个二极管,它的伏安特性具有负温度系数的特点。

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图3. 串联电阻只能减小温度的影响,而不能消除其影响

3.几个LED并联,能不能用恒压电源?

由于LED伏安特性的离散性,不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样,就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。

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图4. 不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性

很明显,假如用恒压电源3.4V供电,显然流过每个LED的电流都不一样,每个LED的亮度也就不一样。所以不能采用恒压电源供电。

4. 多个LED并联后,采用恒压电源供电,能不能用不同的串联电阻来使电流平衡?

在常温下是可以的,但在温升以后就不能保持了。图6中就显示了这个问题,常温下的LED伏安特性以实线表示,两个LED的伏安特性在斜率上略有区别,在用恒压电源Vo供电时,选用不同的电阻,可以得到同样的正向电流Io。但是当温度升高时,其伏安特性左移,如虚线所示。因为还是原来的恒压和原来的电阻,此时的电流却变成了I1和I2。不等于原来的Io了。

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图5. 串联电阻可以在常温下保持其电流不变,但在温升以后就不能保持电流平衡。

5. N个LED串联后,假如用恒压电源供电,其温度效应(由温升而引起的电流增加)将会扩大N倍,这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联

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图6. 多个LED串联,相当于多个伏安特性在恒流点叠接,加电以后温度上升,所有伏安特性左移。

温升以后,N个伏安特性都左移,就使电流的增加也加大了N倍。如果采用恒流电源供电,那么温升以后,仍然能够保持电流恒定为Io。

7. 多个LED串联时,采用恒流电源供电时,可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数

在很多应用中(例如日光灯、路灯),往往将很多LED串联,这时候,LED的温度系数效应就更加明显。因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个LED的伏安特性沿电压轴叠加。假如温升为60度,那么伏安特性将会向左偏移0.12V,如果10个LED串联,所有伏安特性全部左移,总偏移就会达到1.2V。这是相当可观的数字。反过来也可以利用LED的这种特性来测量其结温,例如有一个10串3并的LED组合,在接上恒流电源以后,测得其正向压降从32.3V降低到30.6V。变化达1.7V。那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度

8. 恒流供电时,在串并联电路中如何保证每串的电流均衡

假如用恒流电源只供给一串LED,那当然是最理想的了。但是,假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢?是的,假如用恒流源供给几串并联的LED,由于LED伏安特性的离散性,各串的电流是一定不一样的。但是实际上,由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的,另一串里都是正向电压偏高的。而是会相对均匀分布,所以各串之间的电流不会相差很大。

9.在恒流供电的串并联电路中,如何避免因某个LED损坏所引起的问题

假如只是两串并联,而且其中某一串的一个LED坏了(开路),这时候不但这一串不亮,而且所有的电流都会流到另一串,使得另一串的电流加大一倍,用不了多久也会坏掉。为了避免一个坏了一串不亮,那么可以采用全部并串联的方法,也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的LED并联。这样,任何一个坏了(开路),只是这一个不亮,其余的LED仍然都亮。但是假如并联的LED只有两串,其中有一个LED开路了,电流就都流到和它并联的另一个LED中去,它的电流也加大一倍,使得这一个LED寿命不长,很快烧掉;假如烧坏是开路,那么就会导致所有LED全部不亮,但其它的LED损害并不严重,因为没有长期工作于过流状态。为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响,希望并联的LED串数越多越好。图7中画出了3串5并而且同行相并的图。这时候,某一个LED坏了,总电流分散到其余的4个LED中,总电流在每一行所有并联的LED中分配,正向电压偏低的LED分到的电流就会大一些。但不致造成太大的危害。

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图7. LED三串五并

三串五并中的每一个LED都和其它串中同样位置的LED相并联而且只是这一行的电流分到其余4路中去,而其它几行都还是和原来一样。假如LED坏的时候是短路而不是开路,那么这一行的其它几个LED就都不亮了。 当然为了避免这个现象,最好的办法是在每个LED上都并联一个稳压管,而各串之间不要并联。这时候任何一个LED坏了(开路),稳压管就导通,电流的分配关系变化很小。短路则就是少一个LED发光。

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图8. 每个发光二极管都并联一个稳压管采用这种方法以后,就不需要再同行并联了。

总结以上叙述可以列表如下:

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那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢?完全不是这样。

10.在市电LED路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电

任何市电供电的系统里,都需要一个AC/DC的开关电源。有两种供电方法,一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路,保证输出电流恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出,而且恒流的精度不高。还有一种是,前面采用恒压电源,后面加很多路恒流模块,这种方案灵活性很高,恒流精度也高。

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今日,Maxim宣布推出MAX20078同步降压、高亮度LED控制器,是业内唯一一款可同时提供快速响应和低电磁干扰(EMI)的器件,理想用于外部LED照明和高级安全产品。该LED控制器可理想用于矩阵式照明设计,为设计者提供高性能解决方案,设计便利,大幅缩短产品上市时间。

在矩阵式照明等高级照明应用中,如果高速控制LED开关,LED驱动和控制器很容易出现电流过冲和下冲。这类应用通常是在高度密集区域安装大量LED,所以设计工作面临巨大挑战,特别难以消除EMI。汽车制造商往往花费大量时间、费用和人力测试不同的布局和滤波方案,努力降低EMI。

MAX20078提供超快响应速度,支持更平滑的瞬态响应,无需外部补偿元件,也可提供较宽的调光比,器件集成了故障保护和监测电路。MAX20078同时支持快速LED开关和低EMI,设计人员不必担心顾此失彼。以上特性结合设计的简单性和开关频率选择的灵活性,能够帮助设计者将产品快速推向市场。

主要优势

高性能:快速响应助力高级照明设计

设计简单性:低EMI;无需补偿元件;可在100kHz至1MHz开关频率下编程

快速上市时间:高度集成和可编程开关频率提供设计灵活性,并减轻设计负担

评价

“利用我们的最新产品,客户能够设计出更快、更亮、更时尚的灯具,”Maxim Integrated汽车电子事业部业务经理Yin Wu表示,“MAX20078 LED控制器是我们持续创新的有力证明,是市场上唯一一款组合了滞回buck控制器,工作在低开关噪声固定频率模式的buck控制器。”

有关Maxim电源管理和照明方案的更多信息,请访问:https://www.maximintegrated.com/cn/markets/automotive/power-lighting.html

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脉冲宽度调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中广泛应用,以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最常见的控制方式。
一、PWM原理
脉宽调制(PWM)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率,如图1所示为脉宽调制原理图。

“图1

图1 脉宽调制原理图

例如,把正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等,就得到一组脉冲序列,这就是PWM波形。根据冲量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的,如图2所示为正弦波PWM调制波形。

“图2

图2 正弦波PWM调制

二、PWM在LED驱动电源中的作用
PWM信号驱动是LED驱动电源中的一种。 许多LED应用都需要具备调光功能,比如LED背光或建筑照明调光。通过调整LED的亮度和对比度可以实现调光功能。简单地降低器件的电流也许能够对LED发光进行调整,但是让LED在低于额定电流的情况下工作会造成许多不良后果,比如色差问题。取代简单电流调整的方法是在LED驱动器中集成脉宽调制(PWM)控制器。

PWM的信号并不直接用于控制LED,而是控制一个开关,例如一个MOSFET,以向LED提供所需的电流。PWM控制器通常在一个固定频率上工作并且对脉宽进行调整,以匹配所需的占空比,应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲,即可简单地实现改变输出电流,从而调节LED的亮度。当前大多数LED芯片都使用PWM来控制LED发光,为了确保人们不会感到明显的闪烁,PWM脉冲的频率必须大于100HZ。PWM控制的主要优点是通过PWM的调光电流更加精确,最大程度地降低LED发光时的色差,如图3所示为脉宽调制(PWM)LED驱动器控制电路。

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图3 脉宽调制(PWM)LED驱动器控制电路

三、如何准确分析LED驱动电源中的PWM信号
PWM信号在LED驱动电源中的作用已经不言而喻了,那么如何才能做出高质量的PWM驱动电源呢?广州致远电子ZDS4054PLUS示波器基于512M的存储深度,可以长时间观测PWM驱动器控制LED灯光变化时的脉宽长度变化,便于工程师对灯光亮度进行准确的调节。100万次每秒的波形刷新率和丰富的触发方式快速捕获PWM信号,并且在ZOOM放大模式下,可对波形细节进行重点分析。如图4所示为PWM信号调制波形。

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图4 PWM调制信号

同时在LED驱动电源中最重要的就是对脉宽信号进行准确的测量,ZDS4054PLUS示波器基于51种参数测量可对脉冲宽度、幅值、信号的上升时间等参数准确测量,大大加快研发进程,而且可以通过分段存储方式对每次触发到的PWM波形进行存储,便于分析。如图5为使用ZDS4054Plus示波器测得的PWM信号放大波形。

“图5

图5 PWM信号ZOOM放大波形
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茅于海

1. 现在LED行业的格局
所有LED灯具全都是由三大部分构成,光源,电源和散热器外壳。

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由于这三部分的技术和制造工艺完全不同,所以通常都是由三种行业来生产制造,当然也还可以再细分为更专业的行业。例如光源就可以分为专门制作LED芯片,荧光粉等两个行业。但是现在开始流行的COB光源也就把这两部分结合在一起了。电源则是涉及到极其复杂的电子技术甚至芯片技术的专门行业,目前大多数LED电源还是采用国内外著名的芯片制造公司的电源芯片。至于散热器外壳一方面涉及到传热学的知识,另一方面也是涉及到铝材加工精密压铸等制造工艺,也是必须由专门的公司来制作的。当然也有一些大公司囊括了所有这三个部件的制造,不过这样的公司是少而又少的。

2. 什么是LED光引擎呢?
LED光引擎实际上就是把LED电源放到LED光源的铝基板上去变成一个组件。然而LED电源有两大类,一类是开关电源,另一类是线性电源。开关电源的优点是效率比较高(90-95%左右),缺点是所用的元器件数量多(约30个以上)、体积大、可靠性低。线性电源的优点是元器件数量少(约6-7个)、体积小、可靠性高,而缺点是效率低(85%左右)。
铝基板本来是安装LED的,如果要把开关电源也装进来,是完全不实用的。

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采用开关电源做成的LED光引擎

3. 只有线性电源才能够做成LED光引擎
从元器件的数量看,线性电源元器件数量少,放到LED铝基板上不显得拥挤。

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采用线性电源的光引擎,其元器件数目少于7个,这也是目前市场上称之为AC光引擎的产品。

4. 线性恒流源效率低的缺点给光引擎带来的问题
线性电源的效率是和输入电压成线性下降的关系。输入市电电压越高,线性恒流源的效率也越低

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通常在220V,其效率只有85%,也就是会有15%的输入功率转换成热量。
以功率为10W的LED为例,恒流源效率85%,所以只有8.5W功率用于点亮LED,有1.5W转换为热量,而LED本身发光效率大约为40%,有60%(8.5x0.6=5.1W)都转换为热量。现在还要加上恒流源的1.5W的热量,使得铝基板上的热量增加了1.5/5.1=0.3,也就是增加了30%的热量。近似地说,LED的结温也会增高30%。根据仔细测算,结温增加30%就会使LED发光效率降低10%左右,寿命缩短22,000小时。如果原来是31,000小时,那么就降低成9,000小时了!

5. 只有采用埃菲莱公司的效率高达99%的线性恒流源才能够做成性能优良的光引擎
埃菲莱公司凭借其独有的专利技术开发出了效率高达99%的线性恒流源芯片,其效率的实测结果如下:

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图中蓝色为恒流源本身的效率,红色为加上整流器以后的总效率,在175V-265V内效率不变。而且即使环境温度变化,它的效率也保持不变。
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由图中可以看出,当环境温度从35度升高到85度时,整机效率不变。
而且普通AC光引擎的功率,光通量,光效都随输入市电电压而变,只有埃菲莱的这些指标都和输入电压无关:
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6. 埃菲莱公司的光引擎产品

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上图为埃菲莱的第一个(2013年2月)高光效交流直接输入的LED光引擎,它集成了LED光源和电源,可以直接连上220V就能工作。而且因为没有电源的功耗,它的光效也提高到130lm/W以上。以后埃菲莱公司开发了一系列不同功率的光引擎,可以覆盖所有不同应用的LED灯具的需求。

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7. 光引擎的十大优点:
 可以在很大的市电电压变化和温度变化范围内仍然保持同样的高光效
 可以在采用不同的LED正向电压的LED芯片时,仍然保持极高的光效
 因为效率极高因此可以把恒流驱动源直接放在LED铝基板上,而不会增加LED结温
 因为不需要采用带机壳的独立电源,大大降低了成本,也减小了体积
 因为效率高,在采用同样发光效率的LED时,提高了整灯光效10%以上
 因为减小了30%的热量,提高了LED寿命,散热器的体积也可以减小
 因为效率高,比其他同样亮度的LED灯具进一步节能至少10%以上,为进一步节能减排作贡献!
 没有电磁干扰(EMI)
 其亮度没有闪烁
 电子元器件只有6个,提高了可靠性!

8. 光引擎正进入蓬勃发展期
任何新生事物的出现都有一个需要被认识被欣赏和被大量采用的过程,现在光引擎已经进入了大量采用阶段。因为它会改变某些LED行业的格局,所以必然会有一个行业重组的过程,例如LED的电源行业可能会受到较大的冲击。这也是一个洗牌的过程,我们要充分认识这个阶段的来临,做好充分的准备,迎接这一新时代的来临!

2016 ISS国际空间站设计挑战赛

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作者:凌力尔特公司 电源产品部 产品市场总监 Tony Armstrong

如果您和我年龄相仿,您可能仍然记得传统钨丝灯泡。我之所以这么说是因为,多数美国家庭过去通常使用的 40W 和 60W 白炽灯,从 2013 年末已经禁止在美国生产或向美国进口了 (不过这种灯仍然可以买到)。

还有一件事也应该提到,75W 和 100W 照明灯 2012 年已经淘汰了。这些灯遭到淘汰的原因是,美国环境保护署 (EPA) 要求提高电-光输出功效。这么要求的主要理由是,有助于降低电耗 (因此降低了发电量),因为事实上,美国住宅照明约占美国电力消耗的 14% (数据来源: Energy Information Administration)。固态 LED 照明灯仅需要约 1/8 的电力,就可产生同等流明的光输出,因此 LED 灯已经成功进入了我们今天的世界。

照明灯从白炽灯到固态电子灯的演变过程与目前发生在汽车行业中的车辆照明的转变类似。尽管红光 LED 灯已经用在尾灯中 10 多年了,但是只是在最近,汽车内部和前向照明系统的变化才导致 LED 灯的采用率出现了显着提高。例如,超过 70% 的汽车内部指示灯和超过 45% 的仪表显示器背光照明采用了 LED 灯。相比之下,目前 55% 的白天行车灯 (DRL) 和大约 5% 的前灯采用了 LED 灯。尽管前灯 (近光、远光、雾灯) 代表着最大的商机,但也是渗透率最低的市场,很多人发现了这一矛盾,我就是其中之一。出现这种明显矛盾的主要原因之一是成本,汽车制造商无法以消费者愿意支付的价格提供 LED 前灯。

汽车前灯

在探讨前灯采用率低的背景原因之前,了解一下为什么很多驾驶员甚至原始设备制造商都偏爱 LED 照明解决方案,而这是很有用的。LED 照明解决方案受到偏爱的原因包括但不限于以下各项:

• 性能和设计灵活性 ― LED 外形尺寸小,因此提供了设计灵活性,LED 还提供范围很大的调光能力。记住,人眼对光输出的微小偏差是非常敏感的。

• 节能和较低的二氧化碳排放量 ― LED 不仅具备较高的功效,因而降低了为它们供电所需的能量,而且还具备显着地延长的生命周期。

• 成本 ― 这个特点似乎与直觉相悖,但是在非前灯应用中,成本持续下降、耐用性和卓越的质量已经使 LED 成为最终消费者价值的新标准。

• 监管 ― 很多政府法规规定了对白天行车灯和前灯以及其他照明应用的要求,这些法规导致对 LED 照明的需求增大了。

奥迪被普遍认为是 LED 应用的领导者,我想,任何人对这一点都不会感到惊讶,因为奥迪在几乎任何外部汽车照明应用中都使用了 LED。任何人在后视镜中看到奥迪著名的“眼眉”白天行车灯,都会觉得非常引人注目。此外,奥迪是第一家使用 LED 前灯的汽车制造商,用在了 2004 年的奥迪 R8 中。

那么, LED 前灯为什么没有像用于其他形式汽车照明的 LED 那样流行起来呢? 答案当然是成本。可以取代 LED 前灯的其他产品包括:白炽灯、卤素灯或高密度放电 (HID) 氙气灯。可比 LED 灯的价格可能比卤素前灯 (1962 年首先在欧洲推出,但直到 1978 年才在美国得到采用) 高 100%,比 HID氙气灯 (要实现与 HID 氙气前灯可比的性能,需要一个比更低性能卤素灯价格高得多的 LED 解决方案) 高 1.5 倍。顺便提一句,首款 HID 氙气前灯出现于 1991 年的宝马 7 系列中。

一般而言,LED 前灯的亮度介于卤素灯和 HID 灯之间,但是 LED 灯的光线聚焦度高得多,而且还可以控制产生不同形状。此外,由于 LED 灯尺寸很小,因此允许使用各种摆放和安装方式,汽车制造商能够开发各种形状的 LED 灯和组装方法,以完美地与车型相配。尽管 LED 发光时不产生热量,但是通电时,在它们的发射器底部确实产生一定的热量,因此对相邻组件和连接电缆造成了潜在风险。由于这个原因,LED 前灯需要冷却系统 (例如散热器或风扇) 以避免熔化。此外,这类冷却系统位于发动机舱内,对于其他一些需要保持合适温度的系统而言,发动机舱不是个太凉爽的区域。这是 LED 前灯更难以设计、更难以在汽车中采用的另一个原因,也因此比 HID 灯价格更高。

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图 1:这个例子显示矩阵式 LED 前灯是怎样发送光线的

不过,故事到这里还没讲完。我最近在美国行业媒体上读到一篇文章,文中称,奥迪已开始在高性能 R8 中提供可选激光远光灯。这种激光照明灯有一点非常出色,能够在前灯保持打开的情况下自我调节,使光线不落在前面行驶的车辆上,甚至多达前面 8 辆车。与 LED 前灯相比,奥迪的激光聚光灯可以照到 2 倍远的距离 (超过 500 英尺),从而为驾驶员提供了距离更远的可见度。

最新 IC 有助于 LED 前灯的采用

白炽灯要产生光输出,所需全部条件就是其灯丝中要有电流通过,与此不同,LED 需要专门的集成电路来驱动。

今天,LED 驱动器 IC 必须具有的一个关键性能特点是能够充分调光。LED 是用恒定电流驱动的,其 DC 电流值与 LED 亮度成比例。要通过控制 LED 电流改变 LED 亮度,有两种调光方法。第一种是模拟调光,通过降低恒定的 LED 电流值,成比例地降低 LED 的 DC 电流值。降低 LED 电流可能导致 LED 色彩改变,或者 LED 电流控制不准确。第二种方法是数字或脉冲宽度调制 (PWM) 调光。PWM 调光以等于或高于 100Hz 的频率接通和断开 LED,这样的变化人眼察觉不到。PWM 调光占空比与 LED 亮度成比例,而接通时的 LED 电流值保持在由 LED 驱动器 IC 设定的值,从而在高调光比时保持了 LED 颜色的恒定。在某些应用中,这种 PWM 调光方法可实现 3000 : 1 的调光比。

凌力尔特的 LED 驱动器 IC 能够以满足输入电压范围和所需的输出电压及电流范围之转换拓扑、为很多不同类型的 LED 配置提供充足的电流和电压,尤其是在驱动高亮度 LED 时。因此,凌力尔特的高亮度 LED 驱动器 IC 一般具备以下特性:

• 宽输入电压范围
• 宽输出电压范围
• 高效率转换
• 严格调节的 LED 电流匹配
• 以低噪声、恒定频率工作
• 独立的电流和调光控制
• 宽调光范围比
• 小型和紧凑的占板面积,所需外部组件最少

为满足驱动汽车前灯中常见 LED 所产生的特定设计需求,凌力尔特提供了种类繁多的产品。最近的一个例子是新推出的 LT3965,这是一款能提供 80V 输入和输出电压的恒定电流和恒定电压转换器。其拓扑使该器件能够驱动大电流 LED。参见图 2。该器件具备一个内部低压侧 N 沟道功率 MOSFET,输入额定值为 84V、3.3A,由一个内部调节的 7.15V 电源驱动。固定频率、电流模式架构可在很宽的电源和输出电压范围内实现稳定运行。以地为基准的电压 FB 引脚作为几个 LED 保护功能的输入,还使该转换器可以作为一个恒定电压源使用。频率调节引脚使用户能够在 100kHz 至 1MHz 范围内设定频率,以优化效率、性能或外部组件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高压侧检测输出电流 (常称为高压侧电流检测)。这是最灵活的 LED 驱动方法,可实现升压、降压或降压-升压模式配置。

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图 2:驱动一个串连 LED 串的 LT3956 电路原理图

VIN 6V to 60V:VIN 6V 至 60V
(80V TRANSIENT):(80V 瞬态)
25W LED STRING:25W LED 串

结论

我相信,尽管 LED 前灯目前的市场渗透率低,但是显然,性能提升太有吸引力了,汽车制造商对 LED 灯目前这种态度不可能持续太久。产生吸引力的原因包括:提高驾驶员行车安全性、灵活改变车身造型的能力、节能以及纯粹为了实现好看的外观。我们都知道,汽车外观好看,我们就想买。您以后在驾车四处行走时,请留心看一下矩阵式照明,因为当您看向后视镜时会发现,矩阵式照明及 LED 前灯的使用将有大幅增加。

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