根據(jù)美國(guó)能源部所述，到 2030 年 LED 將占所有照明產(chǎn)品銷售的 75%。 不言自明，為什么 LED 比白熾燈和緊湊型熒光燈（CFL）有很大優(yōu)勢(shì)，主要一點(diǎn)就是功耗降低了 80％ 以上。

由于它們通過(guò)熱輻射損失的能量較少，因此壽命也得到了改善。 尺寸是另一個(gè)因素。 LED 比傳統(tǒng)照明解決方案小得多，允許它們用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域，例如汽車。 高輸出功率 LED 照明也正在進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

開發(fā)照明應(yīng)用需要電源管理方面的專業(yè)知識(shí)。 許多 LED 照明應(yīng)用也將比它們的前代產(chǎn)品更加智能，人們能夠使用有線或無(wú)線協(xié)議作為更大的照明網(wǎng)絡(luò)的一部分來(lái)對(duì)它進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 加入這一個(gè)級(jí)別的“智能”將需要嵌入式軟件開發(fā)和微控制器。 現(xiàn)在有新的解決方案可以將所有這些要素組合在一起。

與近年一直被取代的傳統(tǒng)白熾燈泡和更高能效的緊湊型熒光燈都不同，LED 需要穩(wěn)定的直流電源才實(shí)現(xiàn)最佳的工作狀態(tài)。 這不可避免地要使用到從主電網(wǎng)獲取電能的整流 AC 電源。 雖然這可能使得它們比現(xiàn)有的解決方案變得稍復(fù)雜一些，但是在能源效率和使用壽命方面獲得的好處，通常會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)任何初始安裝費(fèi)用。

正是因?yàn)橛羞@些好處，轉(zhuǎn)向 LED 照明已成為一個(gè)普遍趨勢(shì)，也許最明顯的變化就發(fā)生在工業(yè)領(lǐng)域。 然而，LED 的適用性絕不限于商業(yè)領(lǐng)域，其應(yīng)用的多樣性也在不斷增加。 汽車行業(yè)可能是最新的例子，但在建筑照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普及，并且針對(duì)一般消費(fèi)者和住家的解決方案也層出不窮。

市場(chǎng)上出現(xiàn)了各類 LED 照明燈具的大量變型產(chǎn)品，并提供了各種各樣的控制方法。 但是，基本上來(lái)說(shuō)，LED 在電源和驅(qū)動(dòng)器電路方面具有特定要求，半導(dǎo)體行業(yè)為響應(yīng)于這一增長(zhǎng)的需求，現(xiàn)在正在處理這兩個(gè)方面的需求。

目前主要有兩種方法來(lái)產(chǎn)生和提供驅(qū)動(dòng) LED 所需的直流電流。 第一種方法采用恒流、恒壓方法，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電并直接施加到 LED 上。 第二種是使用分布式方法，使用從 AC 輸入轉(zhuǎn)換出的初級(jí)穩(wěn)壓 DC 電源，為多個(gè)后續(xù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器供電，以向 LED 提供穩(wěn)壓電源。

這一拓?fù)浼夹g(shù)的其它重要方面包括：AC 和 DC 元件之間的電流隔離，確保高轉(zhuǎn)換效率，增加功率因數(shù)校正以符合法規(guī)，以及電路保護(hù)（過(guò)/欠壓，短路）。

可調(diào)光 LED

LED 照明的另一個(gè)重要方面就是，能夠調(diào)整輸出，以滿足各種要求。 通過(guò)改變施加的功率就可實(shí)現(xiàn) LED 光線調(diào)節(jié)，這可以通過(guò)連續(xù)（模擬）方式或不連續(xù)（數(shù)字）方式減小驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于 LED 在電源電流范圍內(nèi)將呈現(xiàn)的非線性輸出來(lái)說(shuō)，就要實(shí)現(xiàn)模擬方法，而如果要提供最佳的恒定電流，則需要使用通常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的數(shù)字方式。

ON Semiconductor 提供的 NCL30186 就是一個(gè)能夠同時(shí)采用這兩種調(diào)光方式的 LED 驅(qū)動(dòng)器實(shí)例，同時(shí)還能以高轉(zhuǎn)換效率提供 PFC。 這是一個(gè)針對(duì)離線 LED 照明解決方案優(yōu)化的 PFC 升壓控制器和準(zhǔn)諧振控制器的組合。 圖 1 所示為使用 NCL30186 的典型應(yīng)用示例的原理圖。

圖 1：使用 ON Semiconductor 的 NCL30186 的典型離線 LED 照明解決方案。

基于微控制器的通用器件也針對(duì)這種應(yīng)用領(lǐng)域，例如  Microchip Technology 的 PIC12HV752。 這種低成本的 8 引腳器件集成了許多外設(shè)，因此成為電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用和 LED 驅(qū)動(dòng)電路的理想選擇。 具體外設(shè)包括互補(bǔ)輸出發(fā)生器（COG）和硬件限制定時(shí)器（HLT）。 當(dāng)使用 PIC12HV752 構(gòu)建 TRIAC 可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這兩種外設(shè)都會(huì)發(fā)揮作用，如圖 2 所示。

圖 2：Microchip 的低成本 8 位 PIC12HV752 MCU 包括了許多針對(duì)電源轉(zhuǎn)換和 LED 控制的外設(shè)。

COG 提供 PWM 信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng) MOSFET，其上升沿受 HLT 控制。 初級(jí)側(cè)控制通過(guò)前饋方法以及峰值電流模式控制來(lái)實(shí)現(xiàn) PFC。

該器件還集成了 DAC、ADC 和比較器。 創(chuàng)建應(yīng)用所需的固件相對(duì)簡(jiǎn)單，主要集中在外設(shè)的初始化。

聯(lián)網(wǎng)照明

與今天的許多東西一樣，電燈也變得“更智能”。 事實(shí)上，專業(yè)照明設(shè)備已經(jīng)智能了一段時(shí)間，使用 DALI 協(xié)議來(lái)集中控制分布式燈具。 同樣的技術(shù)現(xiàn)在已用于 LED 照明，且獲取了很好的效果。

DALI 是數(shù)字可尋址照明接口的英文縮寫，標(biāo)準(zhǔn)化后為 IEC-62386。 它主要用于為電子鎮(zhèn)流器提供遠(yuǎn)程接口，并且因此可以用于控制 LED、熒光燈、水銀燈和其它電子放電燈。

隨著微控制器加入，這為 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案開發(fā)提供了更大的靈活性，甚至有些制造商進(jìn)一步為該應(yīng)用領(lǐng)域提供專用 MCU 系列，并藉此機(jī)會(huì)增加應(yīng)用特定的接口，例如 DALI。

例如， STMicroelectronics 推出的 STLUX 系列就是一個(gè)專用于照明和電源轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品系列。 典型應(yīng)用如圖 3 所示。

圖 3：STMicroelectronics 的 STLUX 系列器件具有專用的且可配置的狀態(tài)機(jī)，目標(biāo)針對(duì)像電源轉(zhuǎn)換之類時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用，包括 LED 控制。

STLUX385A 具有 DALI 模塊，但是真正將設(shè)備與其他設(shè)備區(qū)分開的是它實(shí)現(xiàn)了專用的和自主的狀態(tài)機(jī)，用來(lái)控制六個(gè)分辨率達(dá) 1.3 ns 的獨(dú)立 PWM 輸出。

狀態(tài)機(jī)也稱 SMED（State Machine, Event Driven/狀態(tài)機(jī)，事件驅(qū)動(dòng)型）。 SMED 使用集成微控制器進(jìn)行配置。 一經(jīng)配置，SMED 即具有低至 10.4 ns 的反應(yīng)時(shí)間，因此適合用于時(shí)間關(guān)鍵型操作。 SMED 在運(yùn)行期間具有四種狀態(tài)，增加了 IDLE 和 HOLD 狀態(tài)。 四個(gè)狀態(tài)中的每一個(gè)都是可配置的，開發(fā)人員可以定義哪個(gè)系統(tǒng)事件由每個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來(lái)觸發(fā)。 PWM 輸出電平可以在轉(zhuǎn)換期間更新。

STLUX 系列中有的器件具有多達(dá) 6 個(gè) SMED，每個(gè) SMED 都獨(dú)立工作，但它們可以進(jìn)行分組，組成更強(qiáng)大的狀態(tài)機(jī)。 這種集成式微控制器采用 STM8 CISC 內(nèi)核，具有 21 個(gè)內(nèi)部寄存器、20 個(gè)尋址模式和 80 個(gè)指令。

總體解決方案

人們?cè)絹?lái)越要將電源管理和連接能力集成到單一成熟的解決方案中。 這促使半導(dǎo)體制造商投資推出包含許多其產(chǎn)品的參考設(shè)計(jì)解決方案。 100W、0.1% 可調(diào)光 DC-DC LED 驅(qū)動(dòng)器就是這種設(shè)計(jì)中的一個(gè)，其中包含 Texas Instruments 推出的太陽(yáng)能收集和無(wú)線連接設(shè)計(jì)。

如圖 4 所示，該設(shè)計(jì)含有大量 TI 的產(chǎn)品，最明顯的就是 TPS92640/41 LED 照明驅(qū)動(dòng)器和 CC2650 多標(biāo)準(zhǔn) 2.4 GHz 無(wú)線 MCU。 最終設(shè)計(jì)能夠使用基于模擬或 PWM 的強(qiáng)度調(diào)節(jié)功能來(lái)控制高功率、高效率可調(diào)光 LED 燈具。 此外，由于采用了無(wú)線 MCU，因此它能夠提供對(duì)低功率無(wú)線接口的控制。

圖 4 ：TI 的這款參考設(shè)計(jì)包含大量特別針對(duì)一般功率轉(zhuǎn)換和 LED 控制的器件。

高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器之間的空載時(shí)間已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在寬輸入工作電壓和輸出功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高效率。

CC2650 是一款雙核器件，采用 ARM? Cortex?-M3 處理器作為其主 CPU，使用 ARM Cortex-M0 處理器來(lái)管理器件的 RF 內(nèi)核。 BLE 控制器和 IEEE 802.15.4 MAC 的固件嵌入在器件的 ROM 中，并在 ARM Cortex-M0 處理器上部分執(zhí)行。 這樣就實(shí)現(xiàn)了更高的系統(tǒng)級(jí)效率，并可確保閃存用于高級(jí)應(yīng)用軟件。

PWM 和模擬調(diào)光信號(hào)源都可以由 CC2650 產(chǎn)生，具體取決于應(yīng)用的要求。 隨著數(shù)字環(huán)境光傳感器的加入，應(yīng)用能夠監(jiān)視恒定的流明輸出，并根據(jù)存在的自然日光量進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。

結(jié)論

LED 照明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其顯著降低成本和節(jié)省能耗的潛力。 可以說(shuō)其應(yīng)用將繼續(xù)深入下去，但有些人認(rèn)為，它仍然面臨完全滲透消費(fèi)市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。

最常見(jiàn)的問(wèn)題是，由于對(duì)光質(zhì)量不確定和對(duì)安裝成本的擔(dān)心而反對(duì)在家中使用它。 通過(guò)進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)和持續(xù)引進(jìn)更先進(jìn)、集成度更高的解決方案，相信這兩個(gè)問(wèn)題都將會(huì)成功得到解決。

現(xiàn)在進(jìn)入 LED 市場(chǎng)的公司的潛在收益都可能會(huì)增加，因?yàn)槲磥?lái)幾年的需求必然會(huì)增長(zhǎng)下去。 減少溫室氣體排放的全球目標(biāo)將促進(jìn)一需求的增長(zhǎng)，而且除了全球環(huán)境效益，消費(fèi)者現(xiàn)在可以獲得即時(shí)收益，包括更好地控制自己的環(huán)境。