简化商业和工业 LED 照明的建筑合规设计
作者：Diodes 公司 LED 营销/产品应用部门经理 Sam Wang。
简介：LED 照明的可持续性和时尚性
与早期技术相比，LED 照明具有许多优势，包括减少碳排放和有害废弃物、为产品设计师提供全新造型设计机会，以及改善用户体验。
与白炽灯泡相比（典型额定功率为 40W、60W 或 100W），LED 灯具只需不到十分之一的功率，就能实现相当的照明度，效率大幅提升，每瓦特可提供更多流明，这与全球大方向轉變一致：改善生活条件的同时保护地球资源。据估计，照明占据全球 15% 的耗电量和 5% 的碳排放量[1]。改用 LED 照明，每 100 户家庭每年最多可减少 6 吨二氧化碳排放量。
与此同时，LED 照明带来了全新的设计机会。与之前的技术相比，LED 照明的光源更小，可以实现全新的产品形状和类型。电子驱动的 RGB 组合可实现色彩调节和变化等灵活功能，这有机会在办公室或零售区域等空间，营造娱乐效果或不同氛围。另一方面，在园艺照明产品应用中，选择性增强红光和蓝光波长，可以促进植物生长。
与早期数字接口相比，如今交流电照明更容易实现灵活控制，也更经济实惠。此外，将简单、直接的可控性与传感器和网络技术相结合，为智能照明、自动开/关、调光、自定义场景等功能奠定了基础。
技术要求
全新的LED 照明商机和商业/工业建筑照明规范和法规，为设计师带来了新挑战，因为照明设计的工程基础从电气转变为电子。新挑战包括要确保提供给 LED 灯条的电压和驱动电流稳定、顺畅、一致，防止出现肉眼可见的闪烁。这需要设计低通滤波器，将输出电流纹波最小化，从而消除闪烁。
此外，必须考虑控制电路的待机功率，尽量减少灯具关断时的总能源消耗。这一点很有必要，确保新技术相较于旧技术，可以节省更多能源并减少二氧化碳排放量。
在商业和工业产品应用中，照明电气系统的功率因数也极为重要。如果建筑物包含许多低功率因数的照明负载，就会增加电流，实际电力需求可能会超过断路器的额定值，从而缩短使用寿命。因此，需要高功率因数校正，避免过早损耗，也可以避免对更大规模的电网产生不利影响，延长系统寿命。
从待机或关闭状态启动时，某些 LED 照明系统在达到最大亮度前可能会出现延迟，影响用户体验。为了加快系统响应速度，可以优化驱动器和控制电路，实现快速启动时间，从而在有需要时立即照明，提升用户体验。
法规与生态设计
牢记目标市场现行的法规和标准也很重要。如今的建筑标准越来越追求提升环境绩效，而不只是确保质量和安全。在印度，印度标准局 (BIS) 是制定 LED 照明标准的国家标准机构。此外，印度能源效率局 (BEE) 通过标签方案，在推广节能产品方面发挥至关重要的作用。
世界各地的生态设计标准经常相互影响和借鉴，因为各国政府和监管机构会采纳已经在其他地区取得成功的政策，然后根据本地情况进行调整。不同规范互相借鉴、迭代发展，从而不断形成全球节能产品新需求。
在最严格的生态导向架构中，美国加利福尼亚州现行的建筑法规“第 24 条” (Title 24) 对照明有着严格的规定，旨在确保灯具和系统既要实现高效节能，又要具有成本效益。对于空位 (Vacancy) 传感器和关闭控制有严格的要求，并且需要单独控制显示和装饰照明，以便用户只照亮需要照明的区域。
一些规定还提倡利用日光，包括安装窗户，并且当日光超过照明系统的设计最大值 1.5 倍时，电力照明必须减少到 65%。合规照明产品必须符合“能源之星” (Energy Star®) 要求。进一步的特定性能要求包括最大待机功率为 200mW、功率因数大于 0.9、以及对输出电流纹波和总谐波失真 (THD) 做出最大限制。提出这些要求是为了避免出现闪烁。
合规照明设计
通过遵守“第 24 条”等高标准，制造商可以快速取得批准，在多个市场销售照明系统。设计者打造全新 LED 照明产品时，必须考虑上述各个方面。另一方面，设计师必须确保终端产品的定价具有竞争力。加速产品上市时间也非常重要。
目前市场上有不同制造商提供的各种 IC 产品，为照明控制系统提供基本构成要素。然而，多样化的选择对设计师来说是一大挑战，他们选择的元器件既要提供所有需要的功能，也要满足强制性能要求。一个合适的控制电路要包括几项基本功能：LED 驱动器、可提供稳定电流和电压的纹波抑制，以及功率因数校正。为了支持智能功能，驱动器应提供调光等功能，并集成合适的网络技术，例如 Wi-Fi™、Bluetooth®、Zigbee® 或 Matter®。
对于高达 30W 的产品应用，单级 LED 驱动器是常见的选择。单级设计的优点包括相对简单、成本效益佳，以及效率更高。另一方面，为了确保性能符合建筑标准要求，就需要精心设计。宽广调光范围、高功率因数和低 THD，这三点实现同时有难度。
为了帮助设计人员应对这些挑战，快速实现满足所有要求的设计，Diodes 公司为商业照明产品应用的单级 LED 驱动器打造了一个参考设计。该设计基于芯片组，从Diodes 公司的驱动器和调光控制 IC 产品组合中精选出部分器件打造而成。这些器件一起使用，可以极大减少物料清单，同时满足或超出法规规定的性能要求。例如使用模拟或 PWM 控制的调光，范围为1-100%，超出“第 24 条”的要求。而功率因数则大于 0.9，THD 低于 20%，LED 电流线路和负载调整率在 ±2% 以内。此外，该芯片组解决方案集成 AL5822 纹波电流抑制器，确保电流纹波仅为 1~3%，实现无闪烁工作。
图 1 显示该驱动器的功能方框图。AL17051 和 AL17052 是为智能通信子系统供电的高压降压调节器，专为物联网连接产品应用而设计。这两款调节器的无负载能耗低于 10mW，启动时间极快，不超过 8ms。调节器具有自动重启故障保护功能，并集成 700V MOSFET，只需少量元器件就可实现降压拓扑。
AL1665/AL1666/AL1666A 是高性能单级返驰式隔离或升降压非隔离交流转直流恒定电流控制器，可保持高功率因数，支持模拟/PWM 调光模式。AL8116 是一款灵活的调光信号接口控制器，可将三种不同类型的调光器输入 (0 至 10V 直流线性调光、0 至 100% 占空比脉宽调制 (PWM) 信号，以及简易的电阻电位计) 转换为输出 PWM 信号。
图 1：用于无闪烁、可调光商业照明的单级驱动器。
对于 30W 以上的产品应用，通常首选双级驱动器。虽然一般的双级设计方法本身就具有高功率因数和低 THD，但设计人员必须应对其他挑战，例如相对于单级设计而言更高的复杂度和更大的实物尺寸。
图 2 显示Diodes 公司提出的一种双级设计，包括 AL1783 3 通道可调光驱动器，每个通道可提供高达 250mA 的 LED 输出电流，精度大于 ±4%。AL8866 是一款多模式恒定电流直流开关 LED 控制器，支持升降压、升压、降压和 SEPIC 隔离设计，并驱动外部 MOSFET，用于高功率 LED 照明产品应用。AL8862 和 AL8863 是 60V 迟滞降压 LED 驱动器和控制器，而 AL8891 是一款 65V 同步降压 LED 驱动器，可提供低至 0.01% 的混合模拟和 PWM 调光。AL6562A 和 AL1788 是用于一次侧控制的交流/直流电压控制器。这两款控制器都具有高功率因数 (> 0.9) 和低 THD (< 20%)。
上述芯片组方案简化了设计，只有三个主要元器件，因此降低物料清单 (BOM) 成本，缩小电路尺寸。
图 2：适用于 30W 以上 LED 照明产品应用的双级驱动器。
结论
低能耗 LED 照明目前已在世界各地广泛采用，是一个将可持续性与室内外舒适度和安全性相结合的重要工具。为了实现高效与节能，建筑法规要求越来越重视环境绩效，相应的解决方案 (例如 Diodes 基于芯片组的参考设计) 可帮助工业和商业照明产品设计人员，确保 BOM 成本低廉、产品尺寸小巧，并加速产品上市时间，同时超出如今最严格的建筑法规要求。
