Como escolher soluções de iluminação LED de grande e pequena potência
Quer se trate de aplicações de iluminação LED de alta ou baixa potência, geralmente é composto de fonte de alimentação, driver de LED, LED, lente e substrato. O principal componente é o driver do LED, que deve fornecer uma saída de corrente constante para a luz emitida pelo LED. Ele não piscará ou escurecerá e não causará mudança de cor do LED. Geralmente aceita entrada de tensão de 24 V-48 V DC, mas também existem alguns drivers LED avançados que podem aceitar diretamente a entrada de 220 Vca.
Os principais desafios de design para a aplicação de soluções de iluminação LED incluem os seguintes aspectos: dissipação de calor, alta eficiência, baixo custo, dimerização sem cintilação, dimerização de ampla faixa, confiabilidade, segurança e eliminação de matiz de cor. Esses desafios precisam ser resolvidos por meio da aplicação abrangente da topologia de sistema de energia apropriada, topologia elétrica do inversor e projeto mecânico.
Liang Houquan, Diretor de Marketing de Tecnologia da Diodes Asia Pacific, apontou:" Para designers, o maior desafio técnico será os requisitos de alta eficiência, design óptico, gerenciamento térmico e melhoria da confiabilidade de certas aplicações, como alta brilho das luzes da rua LED. Agora oferecemos uma série de soluções de iluminação LED para aplicações de 0,1W a 250W."
Programa de lâmpada fluorescente LED" Na aplicação do sistema de programa de iluminação LED, além de selecionar produtos LED adequados, um design de programa de iluminação LED completo também inclui design óptico, design térmico, design de produto e design de acionamento elétrico. Como os LEDs são dispositivos de baixa voltagem, a conversão de fontes de alimentação CA de alta voltagem em drivers de corrente constante de baixa voltagem para LEDs enfrentará muitos desafios." Zheng Qian, gerente sênior de aplicativos da ON Semiconductor China, apontou:" Além disso, para as vantagens da iluminação LED, os drivers elétricos de LED devem ser confiáveis e altamente eficientes, seguros e de baixo custo. Portanto, para diferentes aplicações de iluminação LED, você deve primeiro selecionar a topologia elétrica de condução correta." ON Semiconductor pode agora fornecer todas as soluções de iluminação LED na faixa de potência de 1W a 500W.
A fim de promover rapidamente a decolagem do mercado de soluções de iluminação LED, a National Semiconductor Corporation (NSC) recentemente objetivou um mercado de substituição direta muito grande para lâmpadas incandescentes, isto é, substituir diretamente as lâmpadas incandescentes em casas existentes ou outros mercados de aplicação com Lâmpadas LED e lançado Um chip de driver de LED de entrada de rede direta LM3445 para este mercado foi desenvolvido.
No entanto, Wu Zhimin, gerente de marketing de produtos de gerenciamento de energia da NSC Ásia-Pacífico, disse:" As lâmpadas incandescentes estão disponíveis há muitos anos. Por muitos anos de padrões técnicos inalterados, nossos sistemas de iluminação doméstica têm seguido muitos anos de padrões técnicos inalterados. A situação não pode ser mudada durante a noite. Por exemplo, devido a problemas como dissipação de calor e ângulos de iluminação, os soquetes ou dispositivos originais de estilo antigo não são adequados para a instalação de lâmpadas LED. No entanto, além de problemas técnicos, a relação custo-benefício também torna as lâmpadas LED impossíveis. O maior motivo para a popularidade. Lâmpadas de filamento de tungstênio e tubos de néon custam cerca de US $ 0,6-0,7 / Klm, mas o preço atual das lâmpadas LED ainda é tão alto quanto US $ 40-50 / Klm."
Como mencionado acima, uma vez que a lâmpada LED deve ser capaz de ser instalada no soquete antigo original, a dissipação de calor é um grande problema que deve ser superado. Mas, estritamente falando, isso pode ser resolvido pela tecnologia da engenharia mecânica. A responsabilidade dos fabricantes de sistemas LED é trabalhar duro para desenvolver novas tecnologias para maximizar o brilho dos LEDs (ou seja, a quantidade de lúmens produzidos por unidade de energia). Wu Zhimin disse com segurança:" Podemos fornecer o driver de LED mais eficiente para garantir que a dissipação de calor de todo o sistema de iluminação possa ser minimizada."
O custo relativamente alto dos LEDs é o principal obstáculo que ainda é difícil para o mercado de iluminação LED decolar em larga escala. Por exemplo, Alexander Sommer, Diretor de Marketing de Produto da Unidade de Negócios de Gerenciamento de Energia da Infineon Technologies Co., Ltd. disse: “A maioria das aplicações típicas de iluminação LED com menos de 25 W são lâmpadas de sinalização, lâmpadas de sinalização e lâmpadas incandescentes padrão alternativas e lâmpadas halógenas. Comparado com a tecnologia das lâmpadas fluorescentes e incandescentes, o custo inicial do LED ainda é um grande obstáculo para entrar no mercado de massa."
O engenheiro de design e produto da Cytech, Xu Ruibao, também concorda que o principal desafio da comercialização é o custo. Ele disse:" Atualmente, os sistemas de iluminação LED de vários poderes são eletricamente alcançáveis. O desafio técnico vem dos requisitos de aplicações de terminais, como aplicações em automóveis, que devem levar em consideração o design óptico e o design geral de dissipação de calor. Implantação comercial O desafio vem principalmente do custo dos LEDs."
Considerações sobre dissipação de calor no design de iluminação LED
Os sistemas de esquema de iluminação LED abaixo de 25W são geralmente projetados para aplicações como lâmpadas de mesa de leitura, luzes de corredor, holofotes de sala de estar, luzes de jantar em casa, luzes noturnas, etc. Os clientes geralmente esperam que tais aplicações sejam projetadas o menor possível, para que o PCB possa ser colocado O espaço de design é relativamente pequeno, então a temperatura no espaço da embalagem pode ser muito alta quando usado por um longo tempo. Uma vez que é improvável que o projetista instale um ventilador de resfriamento, seu projeto de resfriamento torna-se muito crítico e importante.
& A maioria das aplicações de iluminação LED de baixa potência com menos de 25 W requerem um certo grau de miniaturização. Isso geralmente leva a uma densidade de potência mais alta, embora o consumo de energia não seja grande. Medidas de gerenciamento de dissipação de calor adequadas devem ser fornecidas por estruturas mecânicas aprimoradas. Além disso, a alta eficiência elétrica ajuda a reduzir o consumo de energia. ” AlexanderSommer destacou: “Se você precisar reduzir ainda mais a resistência térmica, isso pode ser feito por meio de isolamento elétrico, porque pode atingir a mais alta eficiência de transferência de calor. Esses métodos também permitem uma saída de lúmen otimizada."
Outra forma de evitar que o LED superaqueça por muito tempo é usar uma solução de dimerização. O gerente de marketing de produtos de IC de alta tensão da Fairchild Semiconductor, SangCheolHer, disse: “Em comparação com as lâmpadas fluorescentes e incandescentes, o uso de soluções de dimerização é uma forma importante de reduzir o consumo de energia do LED. Essa solução é realizada diminuindo os controladores. Especialmente para menos de 25W Por causa do tamanho pequeno da placa de circuito impresso e espaço de embalagem limitado, o problema de dissipação de calor é inevitável para a solução de driver de LED da empresa, então esta solução é ainda mais importante."
Na verdade, nesta faixa de potência, a iluminação LED substituirá as lâmpadas halógenas e as lâmpadas fluorescentes compactas (CFL). Além disso, para se livrar do problema de dissipação de calor, a tecnologia avançada deve remover componentes passivos, como capacitores eletrolíticos, que são sensíveis às mudanças de temperatura. No entanto, a maioria das soluções atuais de drivers de LED são derivadas da topologia da fonte de alimentação e com base nisso, portanto, a faixa de temperatura deve ser considerada, porque os produtos em geral são geralmente baseados em padrões comerciais, mas devem ser capazes de se adaptar a indústrias adversas, como como indústrias.
Seleção de arquitetura de design de esquema de iluminação LED
A escolha da arquitetura do sistema de solução de iluminação LED depende se seu objetivo de projeto é baixo custo, alta eficiência ou área mínima de PCB. De um modo geral, os sistemas de iluminação LED com menos de 25 W não requerem correção de potência, portanto, uma topologia mais simples, como PSR ou Buck, pode ser adotada. As aplicações de iluminação LED de 25W-100W requerem correção de potência, portanto, geralmente são usados PFC de estágio único, PWM quase ressonante (QR) ou topologia flyback. As aplicações de iluminação LED acima de 100 W geralmente usam a topologia LLC mais eficiente e o PFC de estágio duplo.
& quot; Soluções de iluminação LED com potência abaixo de 25W podem usar topologia PSR ou Buck, porque esta faixa de potência é principalmente para projetos pequenos, enfatizando a simplicidade do projeto. A solução de média potência (25W-100W) é adequada para PFC de estágio único, PWM quase ressonante (QR), topologia flyback." SangCheolHer disse," Soluções de alta potência (maiores que 100W) são adequadas para LLC, QRPWM, projeto de topologia flyback. Do ponto de vista da eficiência, o desempenho do LLC e do QR é melhor; e O esquema PSR não requer feedback secundário, é simples no projeto e tem um tamanho menor do que outros esquemas."
Zheng Qian também disse: “Lâmpadas LED com menos de 25 W são usadas principalmente em iluminação interna e usam principalmente topologia flyback de baixo custo. Os circuitos integrados de conversão monolítica NCP1015 e NCP1027 da ON Semiconductor integram MOSFETs de alta tensão e controladores PWM integrados. Ele pode reduzir efetivamente a área do PCB e o volume da lâmpada, e fornecer uma potência máxima de saída de 25 W (entrada de 230 VCA)."
& Para aplicações de iluminação LED não isoladas com menos de 25W, se a relação de conversão de entrada para saída for baixa, então um conversor abaixador simples pode ser uma escolha de baixo custo e pequeno volume. Na topologia isolada onde a eficiência é importante, use uma A topologia flyback quase ressonante dos dispositivos da série Ling CoolSETICE2QS é uma boa escolha." AlexanderSommer disse. A Infineon é o primeiro fornecedor a fornecer CIs de controle de flyback digital quase ressonante.
As aplicações típicas de iluminação LED na faixa de potência de 25W-100W são iluminação de ruas (estradas comunitárias) e locais públicos, como estacionamentos. Eficiência na conversão de energia, realização econômica da função PFC e alta qualidade de cores são agora os três desafios técnicos mais importantes. Por exemplo, em iluminação comercial e aplicações de iluminação pública, uma vida útil mais longa e os custos mais baixos resultantes estão ajudando a superar as barreiras à entrada de custos iniciais mais elevados. As aplicações de iluminação LED de 25 W a 100 W têm requisitos de fator de potência, portanto, a potência de correção do fator de potência precisa ser aumentada.
&. Este tipo de eletricidade pode adotar a estrutura tradicional de dois estágios, ou seja, a eletricidade de correção de fator de potência (PFC) de modo descontínuo ativo mais a eletricidade de conversão DC-DCPWM, como ON Semiconductor' s controlador de correção do fator de potência NCP1607, a eletricidade periférica do NCP1607 é muito simples e pode fornecer bom desempenho." Zheng Qian disse," Para soluções de LED de alta eficiência, baixo custo e pequeno volume, vale a pena recomendar um circuito PFC de estágio único, que pode atingir simultaneamente fator de potência e saída CC de baixa tensão isolada, e tem uma vantagem de custo significativa, certamente se tornará a solução principal para iluminação LED de média potência. O NCP1652 da ON Semiconductor fornece uma solução de controle ideal para a realização de energia PFC de estágio único."
Shenzhen Shiqiang Telecom usa SiliconLabs' MCU série C8051F3 de 8 bits para implementar PFC no software. O gerente de marketing assistente da empresa Huang Sunfeng disse: “Nós desenvolvemos uma solução de iluminação LED totalmente digital para aplicações de iluminação LED de baixa potência de entrada (180V-260V) de 10W-30W, que podem ser controladas por software para atingir um valor de PFC de até 0,95. Com hardware Comparado com PFC, esta solução de software tem maior flexibilidade, adaptabilidade e capacidade de atualização sob a premissa do mesmo índice de desempenho." O driver de LED MIC3230 usado nesta solução tem uma corrente de saída máxima de 350mA e pode acionar até 12 A. LED de 1W pode atender bem às necessidades de iluminação interna.
Alexander Sommer disse:" Para aplicações de iluminação por LED de potência de 25W-100W que requerem eficiência e desempenho em uma ampla faixa de entrada e / ou carga (como escurecimento), uma topologia flyback quase ressonante com um estágio PFC é usada. Normalmente, eficiências de até 90% podem ser alcançadas."
Aplicações acima de 100 W incluem estradas principais e iluminação pública de alta velocidade (onde até 20K lumens ou mais de brilho e 250 W de entrada de energia são necessários) e aplicações profissionais, como iluminação de palco e holofotes arquitetônicos. Uma das principais forças motrizes para o uso de LEDs em aplicações de alta potência é o baixo custo de propriedade devido à confiabilidade e ao baixo consumo de energia. Por exemplo, a eficiência do sistema é comparável às lâmpadas de halogeneto de metal e de sódio de baixa pressão. A comparação inicial de custos pode continuar a ser a barreira de entrada neste mercado no curto prazo.
Zheng Qian apontou:" Para aplicações de LED maiores que 100W, usaremos o circuito de correção de fator de potência de modo descontínuo ativo tradicional e circuito de conversão de meia ponte ressonante DC-DC. Lançamos um novo tipo de controlador integrado, que integra controlador de fator de potência de modo descontínuo ativo e controlador ressonante de meia ponte com acionamento de alta tensão."
O controlador ressonante de meia ponte funciona em uma frequência de chaveamento fixa e um ciclo de trabalho fixo, e o circuito não requer controle de feedback no lado da saída. Isso faz com que o conversor ressonante DC-DC de meia ponte funcione nos estados ZVS e ZCS mais eficientes. A tensão de saída DC seguirá a saída do circuito de correção do fator de potência.
Alexander Sommer enfatizou: “Para aplicações de iluminação LED de alta potência acima de 100 W, a eficiência se torna mais importante. Usando a topologia ressonante LLC, pode atingir eficiência de mais de 90%. Usamos o novo dispositivo de 8 pinos ICE1HS01 da Infineon."
Independentemente da potência de saída do sistema de solução de iluminação LED, a escolha da potência do driver LED dependerá em grande parte da faixa de tensão de entrada, da queda de tensão cumulativa da própria string de LED e da corrente necessária para acionar o LED. Isso levou a muitas possíveis topologias de driver de LED, como buck, boost, buck-boost e SEPIC.
Tony Armstrong, Diretor de Marketing de Produto da Divisão de Produtos de Energia da Linear Technology, destacou: “Cada topologia tem suas vantagens e desvantagens. Entre eles, o conversor abaixador padrão é a solução mais simples e fácil. - Os conversores Boost vêm em segundo lugar e os conversores SEPIC são os mais difíceis de implementar. Isso ocorre porque ele usa princípios de design magnético complexos e exige que os projetistas tenham uma excelente experiência em design de fonte de alimentação comutada."
Em suma, a aplicação do produto terminal determina a estrutura topológica do LED e, em seguida, selecione razoavelmente a estrutura Buck, Boost, SEPIC ou Buck-Boost de acordo com a estrutura topológica do LED e a fonte de alimentação de entrada." De um modo geral, são usados mais de 25W Bucks. Os mais poderosos tendem a escolher a estrutura Boost. Em termos de eficiência, ambos geralmente podem atingir mais de 85%, e o LT3755 pode atingir até 97% de eficiência. Considere a parte motriz. O custo geral do sistema deve ser considerado quando o custo do BOM. ” Xu Ruibao disse: “À medida que a concorrência se intensifica, sempre haverá soluções de menor custo de BOM, mas podem não ser as mais adequadas. Não projetamos produtos de acordo com este padrão. A área de PCB é controlada principalmente pelos componentes principais. As luzes LED de baixa potência devem adotar uma solução altamente integrada, tanto quanto possível. A solução de alta potência deve escolher produtos com alta integração técnica e alimentação externa simples. A discussão aqui se refere à solução DC-DC."
Liang Houquan também apontou:" A fim de atingir os requisitos de alta eficiência, os drivers de LED de modo de switch devem ser considerados. A maioria desses clientes prefere escolher drivers de LED abaixadores porque a eficiência geral é maior. Se você considerar o menor custo de BOM, os conversores de LED do switch não são os mais baratos. Esses clientes podem tentar usar drivers de LED de corrente constante linear. Isso pode fornecer o menor custo de BOM, mas a eficiência pode não ser tão alta quanto os drivers de LED do modo switch. Por exemplo, da menor área da placa PCB. Considerando a perspectiva, os conversores de modo switch são normalmente selecionados porque geram menos calor e até mesmo os componentes relacionados serão menores."
Soluções de escurecimento analógico, PWM e TRIAC
As soluções e especificações de dimerização de LED mudam constantemente e não foram corrigidas até agora, então agora existem PWM, analógico e tiristor (TRA
