过去几年来,高亮度发光二极管(HB-LED)在每封装流明输出和光效(单位为lm/w)方面的性能快速提升,同时随着LED发光体成本的下降,LED照明市场获得了快速持续的发展,正逐步发展成为众多高性能应用中传统白炽灯、卤素灯和荧光灯的切实可行的替代光源。应用范围的持续扩大也导致了对产品要求的不断提高,在LED终端产品中关于LED亮度的调节功能成为了LED照明设计师棘手问题。
目前传统灯具主要存在的调光器:包括可控硅调光器(Triac dimmer)(前切式),电子式调光器(后切式),与遥控调光器(红外线或RF式),以及一些商用照明调光系统。
使用电子式调光器必须施工更改灯具接线(一般墙壁开关只有接往一条交流电线,无法提供电源予电子线路),装置成本较高。遥控调光器可以添加许多先进功能,比如调色调光等。但有遥控器昂贵,容易遗失,公共场合不便使用。更为糟糕的是,电子式调光器和遥控器,都需要灯具需要搭配相同厂牌的调光器,所以没有统一规格。也就是因为各厂牌互相无法兼容,所以现有市场很小,未来也不太可能普及。
可控硅调光因为不用改变接线,装置成本较低,各厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大,欧美家庭普遍安装了硅控调光器。因此,在LED取代白炽灯的过程中,必须解决与可控硅调光器的搭配调光问题。目前通过可控硅调光器实现LED调光功能也成为了目前市场的一个热点。但同时可控硅调光器也存在着很大的不足之处。
l功率因数会变差,导通角愈短,功因就愈差。调到1/4亮时,功率因素将低于0.25。
l效率会变差,因为在调暗时,负载不足,会造成硅控管提早关闭,造成LED灯无法稳定工作,出现闪烁不定的问题。欲解决闪烁问题,通常要加装泄流电阻(bleeder or dummy load),通过在泄流电阻上消耗功率以维持硅控管的正常操作。这样,就出现了能源的浪费,当就违背了原先调光节能的本意。在轻载时,使用可控硅调光器系统效率只有约10%。
l同时,还存在着匹配问题,要开发一种与市面上数十种品牌的可控硅调光器,要保证相容的可调光LED灯具,是相当困难的。
综上所述,针对目前的市场状况,在现阶段,为了取代传统灯具,LED的调光技术发展将以高效、高兼容性的可控硅调光解决方案为主。但在LED成为主流照明光源后,将开发设计针对LED光源特性的更为高效便捷的调光技术。
(1)兼容可控硅调光器的调光技术
如上文所述,使用可控硅调光器来实现LED调光成为了目前市场的热点,众多国内外大厂商均推出了兼容可控硅调光的驱动IC。使用Buck或者Flyback架构。有的IC通过APFC技术满足高功率因素的要求。有的IC使用初级控制技术(PSR)来取消光偶和TLV431,以便于减少成本。有的IC通过APFC+PSR两级架构来实现平稳无闪烁的调光。但是,如何设计LED驱动电路,实现高功率因素、高效率、广泛的可控硅调光器兼容性、同时满足极小的空间限制,是必须需要解决的若干问题。目前还没有一个能够在体积、高效率、兼容性、成本等各方面均完满解决的方案。
正是基于此,O2Micro开发了独特的LED控制IC,来解决上述问题。该IC使用SOP-8的封装形式,使用初级控制技术(PSR),取消了光偶和TLV431。同时在单级的架构中集成了APFC功能,在满载情况下满足PF大于0.9的情况下,尽可能的减小了体积,满足球泡、PAR灯对空间有严格要求的应用场合。同时内部采用独特的调光控制算法,不仅能保证全导通角下LED电流精度同时还能满足众多不同种类的调光器,同时克服了LED在小导通角时的闪烁问题。该IC还集成了LED灯的开路、短路保护功能,并采用独特的控制方式来实现更低的短路功耗;
(2)分段式调光技术
通过上文的分析,我们应该看到TRIAC调光器存在的问题:第一,功耗大,特别是在轻载时,只有约10%的效率;第二,支持TRIAC调光的LED照明驱动方案很难做到兼容市面上所有的TRIAC调光器。还有一点值得注意的是,最大的LED照明灯具应用市场(即全球办公室照明市场)目前普遍采用荧光灯,其基础设施中没有TRIAC调光器,这就需要在没有TRIAC调光器的场合实现调光功能。
我们可以推测,最可行的调光方式,就是不制定新标准,不改变现况,不需要改变接线,不增加任何调光器,就能达到调光功能的一种方案。在这样的条件之下,在最基本的wallswitch上实现调光功能,成为了最为现实的考虑。
在这种前提下,O2Micro发明了使用墙开关实现三段LED灯泡/灯管调光技术,采用了正在专利申请之中的模拟调光技术,它无需TRIAC调光器,只需利用墙上的电源开关就可以实现三段调光(100%,50%,20%),无需RF遥控电路,因此不仅调光成本可做得更低,而且还可以去掉遥控器。
在这种前提下,O2Micro发明了使用墙开关实现三段LED灯泡/灯管调光技术,采用了正在专利申请之中的模拟调光技术,它无需TRIAC调光器,只需利用墙上的电源开关就可以实现三段调光,无需RF遥控电路,无需多余调光设备,在实现调光功能的基础上最大可能的节省了客户成本。
O2Micro现推出了OZ8022A、OZ8022M和OZ9992三款产品。OZ8022A、OZ9992支持100%、60%和20%三段仿真调光功能。OZ8022M的调光等级则为100%、40%和2.5%,OZ8022M第三档2.5%的亮度模拟了家庭小夜灯的功能,使得使用OZ8022M内置驱动的光源不但能作为主照明灯具,同时也能作为小夜灯使用。OZ8022A、O8022M是高度集成的解决方案,SOT-23-6的封装下,实现85-265V全电压范围的恒流技术,总零件数仅19颗。OZ9992在SOP-8的封装下提供了分段式调光和高功率因素的功能,能够在100%、60%的亮度时PF大于0.9,20%的亮度时,PF大于0.8。三颗芯片均采用了准谐振技术提高驱动器效率,在满负载情况下,能够达到90%的效率。
(3)无级调光技术
不管是家庭用户还是办公室用户,三段调光LED灯泡或灯管都可有效地帮助用户节省能源开支。不过,在实际使用过程中,由于不同输出功率LED灯泡或灯管在60%和20%处发出的亮度是不同的,因此不少用户希望对三段调光的亮度比例作出调整,为了满足所有这些客户的不同要求,O2Micro这几年潜心开发无级调光技术,它同样无需采用TRIAC调光器,同样使用墙开关(wallswitch)就可以实现任意亮度的调节。通过墙开关的开通的时间长短来由用户自主选择灯光亮度,达到连续的无段数的调光功能。无极模拟调光技术使得兼容性问题,PFC问题,效率均不在成为制约LED性能的问题,同时极大的节省了成本和装置费用。这一无级模拟调光技术O2Micro现在已经开发成功,甚至已经做出样品。一旦时机成熟,即推向市场。
综上所述,面对目前的LED照明市场,O2Micro重点推广兼容可控硅调光器的调光技术,使得LED光源能与现有市场接轨,快速的代替传统光源。在没有安装可控硅调光器的场合,提供三段式调光的技术,使得客户能够在不改变线路的基础上,实现调光的功能。同时,从长期来看,当LED成为主流照明光源时,无级调光LED驱动器将成为市场的主流,O2Micro将适时推出基于墙开关无级调光技术的芯片产品,满足市场需求。