如何在建筑照明中实现最佳LED性能设计

作者：Bill Schweber

像白炽灯、卤素灯和荧光灯这样的传统建筑照明 (AL) 光源，现在正迅速被基于发光二极管 (LED) 的照明技术和新设计所取代。原因很明显：除法规要求外，LED 照明可保证能效更高、运营成本更低、热负荷更小，可实现更低维护成本的更长安装寿命，而且是更智能化建筑功能管理的途径。

但是用 LED 来替换那些历史悠久的灯具中灯泡并不是一件容易的事，因为做到相同的形状和适合性接口并非易事。同时需要新的驱动电路，以提供可控的电流（而不是电压），且通常具有调光功能。此外，白炽灯是阻性负载，可以直接连接交流电源线运行，LED 则不同。LED 照明没有统一的整功率因数——即电流和电压同相——而且其开关稳压器驱动电路可能成为电磁干扰源 (EMI) 。相反，驱动电路必须提供并控制所需的驱动电流，其控制方式应根据 LED 负载的特性进行优化。驱动器可能还必须执行功率因数校正 (PFC)、调光功能和 EMI 抑制。

本文将探讨建筑照明的各个方面以及用于实现基于 LED 的建筑照明 IC。然后以 Diodes Incorporated 的 IC 为例，介绍这些器件在实际电路中使用情况。

AL 的目标和 LED 挑战

AL是指嵌入诸如零售店、办公室或仓库之类的商业、非住宅结构内部和外部的照明系统的设计使用。建筑照明设计的目标是追求艺术和照明科学之间的平衡，以营造氛围、诱人的观感，并提升空间或场所体验，同时还要满足技术和安全要求。建筑照明不包括由人们带来的或重新安排的临时性照明灯具，如他们最喜欢的台灯；相反，建筑照明“随建筑而生”，尽管通常允许一定的灵活性，甚至随着短期和长期需求的发展还会重新布局。

近年来，AL 发展成为一个范围更大的技术驱动型领域；同时，节能要求以及与照明管理的相关功能、特点在很大程度上造成了 AL 又面临着诸多挑战。随着基于 LED 的照明已成为升级 AL 的主导因素，能够有效驱动 AL 灯具（装置）中 LED 的技术、电路和元器件变得愈发重要。

向基于 LED 的 AL 过渡的大部分推动力来自多种监管授权和标准，这些标准规定了效率的不同方面，包括可调光性、PFC 和 EMI 生成以及其他因素。这些极其复杂、冗长的要求的具体规定在全球各个国家、地区，甚至在美国各州之间都有所不同。

在美国，重要的监管要求包括联邦能源之星标准和更严格的加州建筑标准法规 Title 24。在其许多其他考虑因素中，Title 24 的要求如下：

· 用于自动开启/关闭照明负载的占位传感器
· 具有调光功能的 LED 驱动器
· 更高的效率，按照每瓦特输入功率的有用流明数来衡量
· 智能互联照明 (SCL) 支持通过蓝牙、Zigbee 或 DALI/IEC 62386 无线控制单个和分组灯具，系统待机功耗低于 200 mW。
· LED 输出电流纹波低于 30%，以避免令人感到不适、分散注意力的闪烁
· 在规定的更高功率下，PFC 为 0.9 或更高
· 总谐波失真 (THD) 低于 20%，以尽量减少非阻性负载造成的功率浪费

关于调光率和闪烁的说明：尽管人眼通常对 100 Hz 以上的闪烁不敏感，但有一种有时被称为“闪烁”的相关现象，它在通过脉冲宽度调制 (PWM) 技术对 LED 进行调光时发生，无论是进行亮度还是颜色控制。在 PWM 模式下，LED 在短时间内高速关闭（数百微秒）。这种调光率可以与基本的 LED 读数、显示屏幕、安防摄像头和其他光学成像设备的扫描和刷新率相互作用。因此，LED 的刷新率应该远远高于眼睛本身的敏感率，来自 Diodes Incorporated 的元器件就符合这种要求。

从芯片到芯片组

满足诸多能源相关型要求是一大设计挑战，必须在各种相互冲突的方法中游刃有余，因为每个目标的“最佳”解决方案之间不可避免地存在相互作用和折中。单独的集成电路经过优化后用于解决问题的特定方面，但完整的解决方案需要确保这些集成电路和和谐工作、相互加强，而不是相互抵消。

所以，我们去了解某个供应商的 IC 和及其组装的任何相关芯片组（经过验证的电路）往往是有意义的。这为设计者提供了一个经过测试的拓扑结构，是一个良好的开端。对于基于 LED 的 AL，Diodes Incorporated 提供的建议芯片组分为两组，一组支持较低的功率情况（低于 30 W），另一组用于较高功率的装置（高于 30 W），前者通常用于室内，后者用于室外。

图 1 框图显示了三个基本 IC 如何构成 <30 W 应用及如何相互作用，以实现所需的核心功能。这三个基本 IC 分别为可调光 LED 控制器、纹波抑制器和调光信号接口控制器。

图 1：高级 IC——可调光 LED 控制器、纹波抑制器和调光信号接口控制器，构成了<30 W 建筑照明设计的核心器件。（图片来源： Diodes Incorporated）

我们来单独看这三个 IC。AL1666S-13 高性能可调光 LED 控制器的输入电压范围宽，具体为 85 VAC 至 305 VAC，其 PFC 大于 0.9 且 THD 低于 10%。该 IC 支持 0 - 10 V 模拟调光，范围为 5% 至 100%，可与搭配使用所有的 ANSI 标准调光器；用于非模拟 PWM 调光时，范围为 1% 至 100%，频率为 1 kHz。为了保持性能一致性，该 IC 具有严格的、优于 ±2% 的 LED 电流电源调整率，以及优于 ±2% 的、从半载到满载的 LED 电流负载调节能力。

AL5822W6-7 是一款自适应 100/120 Hz LED 电流纹波抑制器，采用 SOT-23-6 封装。该 IC 解决了将电流纹波降至最低的难题，可满足日益严格的标准。此外，由于该 IC 与 LED 连接，因此有必要加入防止短路、过流和过热的保护措施，同时将电路和灯泡插入“带电”插座时支持热灯泡操作。该 IC 可以显著减少波纹，使其下降到初始值的百分之几，一些基本数字已经验证了这点。例如，当与 AL1665S-13 高性能可调光 LED 控制器组合使用时（AL1666S-13 的同类器件），电流纹波峰谷值约为 520 mA，但与 AL5822 组合使用时则降至仅 17 mA（图 2）。

图 2：在设计中加入 AL1665S-13 高性能可调光 LED 控制器，可将电流纹波从 520 mA 的峰峰值降低至仅 17 mA。（图片来源： Diodes Incorporated）

最后是 AL8116W6-7，这是一款灵活的 0 - 10 V 调光信号接口控制器。该 IC 具有 10 V - 56 V 的宽 VCC 范围，可以通过辅助绕组输出电压、电源轨或 LED 链电压供电。该 IC 支持使用 0 - 10 V 控制的 0.2 kHz 至 10 kHz 围内的 PWM 调光，以及电位器（电阻式）调光 (0 - 100 kΩ)。该 IC 将调光控制转换为系统所需的 PWM 输出，同时提供一个简单的交叉隔离势垒调光解决方案。该 IC 还提供 ±2.5% 的 PWM 输出占空比，以获得精确的调光曲线，这在多 LED 装置中是至关重要的。

当然，高级框图在显示总材料清单 (BOM) 方面可能带有欺骗性，包括无源元件、分立式有源元件和其他 IC。因此，必须看实际原理图，以了解完整的电路需要什么，因为这会影响到封装、生产和成本。

对于图 1 中的 <30 W 芯片组，下面图 3 所示的原理图显示了实际需要的元器件。（需要变压器 T1 和光耦合器在初级和次级之间实现电隔离。）

图 3：从图 1 所示高级框图的详细原理图可以看出，在完整的设计中只需要另加几个组件。（图片来源： Diodes Incorporated）

由于所有基于开/关的电源电路都具有仅凭原理图是无法揭示的现实世界的微妙之处，因此评估板是一种可以加快设计验证和核实的资产。AL1666+AL8116+AL5822EV1 是一款评估板，采用上述三种 IC 来提供一个 0 V - 10 V 可调光、高 PFC、单级反激式 LED 驱动器（图 4）。该评估板在 25 V - 50 V 电压范围内提供 1200 mA 恒流输出，输入电压为 90 VAC - 305 VAC。

图 4：为了加速完成项目，AL1666+AL8116+AL5822EV1 评估板（顶部和底部）有助于深入了解可调光 LED 驱动电路的运行。该评估板采用 AL1666 初级侧侧控制器、AL8116 次级侧调光接口 IC 和 AL5822 LED 电流纹波抑制器。（图片来源： Diodes Incorporated）

尺寸对后向兼容非常重要

除了常见的“越小越好”理由外，为什么小尺寸和小 BOM 很重要？在单独或分组使用 LED 驱动 IC 时，部分原因是针对现有灯具（灯泡）的向后兼容问题。

例如，通常使用的 AL 灯形状各异，但其中一种特别广泛用于住宅和商业环境中是定向照明 MR16（图 5）。多年来，这种外形的卤素光源灯泡一直是标准 AL 照明的首选之一。

图 5：使用卤素作为光源的 MR16 灯泡的外形和尺寸在 AL 装置中广泛使用。（图片来源：维基百科；W.W. Grainger, Inc.）

MR16 的周长最大时，直径为 2 英寸。“MR”代表多面反射器，这就是能够控制其投射光线的方向和传播的原因。这种灯泡通常（但并不总是）采用 12 V 交流供电，一般情况下通过线路电压降压变压器供电。

一个小型卤素 MR16 需要 20 W，使用寿命为 2000 至 6000 小时。相比之下，LED 等效产品只需要数瓦电源，而且使用寿命为 10 万小时左右。随着 AL 向基于 LED 的光源过渡，重要的一点是能够在这种封装中包含所需的电路，以便为巨大的售后更换市场以及新型的 AL 设计导入提供“相同形状和适配性”的灯泡。

满足更高的功率需求

对于诸如户外应用等 30 W 以上的 LED 灯驱动（相当于约 3 A 的 LED 电流驱动），两级拓扑结构可能优于单级方法，尽管其控制和通信模块可以是相同的（图 6）。

图 6：功率较高的 LED 照明设计（30 W 以上）利用两级拓扑结构（右）与较低功率设计的单级方法（左），两者的“智能”接口可能相同。（图片来源： Diodes Incorporated）

在本例中，更高功率 LED 照明设计方案的电路原理图展再次示了更深层次的内容（图 7）。

图 7：原理图再次显示了这种较高功率解决方案所提供的相对较高的集成度。（图片来源： Diodes Incorporated）

与低功率设计一样，三个 IC 是该实施方案的核心。首先是 AL1788W6-7，这是一款初级侧控制器，它支持降压和和不需要要光耦合器的反激式拓扑结构，同时具有“谷值开启功能”的准谐振 (QR) 运行实现了低开关损耗。功率因数优于 0.9，而且 THD 低于 15%；待机功耗低于 200 mW（例如在白天关灯时使用）提高了整体效率。

接下来是 AL17050WT-7，这是一款通用型 AC 非隔离降压稳压器，以微小的 SOT-25 封装提供精确的恒定电压 (CV) 控制和极低待机功耗。该器件集成了一个 500 V MOSFET 并搭配一个单绕组电感器，从而使外部元器件更加简单，BOM 成本更低。由于其在整个拓扑结构中的电气作用和位置，该器件包括多个生产“层”，包括过温保护、VCC 欠压锁定、输出短路保护、过载保护和开环保护。

最后是 AL8843SP-13，这是一款 1 MHz 降压稳压器和模拟 LED 驱动器，具有 PWM 调光功能，能够提供高达 3A 的输出电流，可通过外部电阻器调节。该器件在 4.5 - 40 V 宽输入电压下工作，电流检测精度为 ±4%，适合在多 LED 设计中实现出色的通道匹配。

AL8843SP-13 集成了电源开关和一个高压侧输出电流检测电路；根据电源电压和外部元器件，该转换器的输出功率高达 60 W，效率高达 97%。可通过将外部控制信号施加到一个接受直流电压或 PWM 信号的单封装引脚上来实现重要的调光功能。这种热增强型 SO-8EP 封装的器件还具有多个保护模式，包括 LED 开路或短路保护、电流检测电阻开路或短路以及其他保护模式。

与低功率 LED 驱动布局一样，高功率解决方案的评估板可以大大减少详细了解全面设计导入情况所需的时间，从而更有效地推动项目进展。针对 AL8843SP-13 降压型 LED 驱动器——高功率设计中最具挑战性的元件，Diodes Incorporated 推出 AL8843EV1 评估板（图 8）。

图 8：AL8843SP-13 的用户将从 AL8843EV1 基本评估板中受益，该评估板完全侧重于单降压稳压器和 PWM 调光型 3A 模拟 LED 驱动器 IC。（图片来源： Diodes Incorporated）

AL8843EV1 评估板允许在没有交互或者其他有源元器件造成的干扰下对 IC 进行基本测试。

然后是“互联照明”

带来实现“智能互联照明 (SCL) ”的机会——通常被简单描述为“互联照明”，这是基于现代 LED 的照明的其他既实用又可用的增强功能之一。在其各种属性中，允许通过连接标准以分组以及单独的形式控制灯。

SCL 有哪些好处？从更高级系统的角度来看，甚至可能有一些猜测和夸张，互联照明的基础设施就是对整个建筑连网的投资。流经这种基础设施的数据让建筑管理者能够整合、实施自动化并延长核心建筑系统的寿命，降低运营成本，提高性能并减少停机时间。

有些分析者认为，互联照明的好处远超单纯的照明。例如，Silvair 首席技术官和创始人 Szymon Slupik 指出：“智能照明所带来的附加服务价值是照明控制和节能本身的七到十倍"。

SCL 灯经常长期处于被动“监听”状态，因此待机功耗是设计者关注的关键参数，各种法规要求中都规定了最大数值。Diodes 的控制器和稳压器设计的额定待机功耗低于规定值。这些器件还可搭配使用支持各种接口标准的调光控制/通信型号，包括蓝牙、Zigbee 和 Wi-Fi。

要推动互联照明安装，其中的一个因素就是制定全行业标准，以确保来自不同供应商的 SCL 组件可以互操作。例如，蓝牙特别兴趣小组 (SIG) 已经与照明行业合作，开发针对创建适用型大规模设备网络而进行优化的蓝牙网状网标准。此外，蓝牙 SIG 和 DALI 联盟合作创建了一个标准化接口，使 D4i 认证灯具和 DALI-2 设备能够在基于蓝牙的网状网照明控制网络中部署（D4i 是针对智能、物联网就绪型灯具的 DALI 标准）。通过这个接口，数据可以在传感器丰富的灯具和照明控制器之间畅通无阻地流动，甚至可以流向其他的建筑管理系统。

结语

基于 LED 的智能建筑照明正在提高商业建筑照明系统的能源效率。它也是在整体建筑性能方面实现长期潜在收益的一个关键因素。来自 Diodes Incorporated 的控制器、稳压器和 LED 驱动器 IC 专用于基于 LED 的 AL 及其优化，也是将这些先进 AL 所具备的、可能的潜在优势成功转化为性能强大、功能多样、经济实惠的现实所需的关键构件。