Cómo elegir soluciones de iluminación LED de gran y pequeña potencia
Ya sea que se trate de aplicaciones de iluminación LED de alta o baja potencia, generalmente se compone de fuente de alimentación, controlador LED, LED, lente y sustrato. El componente clave es el controlador LED, que debe proporcionar una salida de corriente constante para la luz emitida por el LED. No parpadeará ni se atenuará, y no provocará un cambio de color del LED. Generalmente acepta una entrada de voltaje de 24 V-48 V CC, pero también hay algunos controladores LED avanzados que pueden aceptar directamente una entrada de 220 V CA.
Los principales desafíos de diseño para la aplicación de soluciones de iluminación LED incluyen los siguientes aspectos: disipación de calor, alta eficiencia, bajo costo, atenuación sin parpadeo, atenuación de amplio rango, confiabilidad, seguridad y eliminación de tonalidades de color. Estos desafíos deben resolverse mediante la aplicación integral de la topología adecuada del sistema de energía, la topología eléctrica del variador y el diseño mecánico.
Liang Houquan, Director de Marketing de Tecnología de Diodos Asia Pacífico, señaló:" Para los diseñadores, el mayor desafío técnico serán los requisitos de alta eficiencia, el diseño óptico, la gestión térmica y la mejora de la confiabilidad de ciertas aplicaciones, como la alta Luminarias de calle LED de brillo. Ahora ofrecemos una serie de soluciones de iluminación LED que cubren aplicaciones de 0,1 W a 250 W."
Programa de lámpara fluorescente LED" En la aplicación del sistema de programa de iluminación LED, además de seleccionar los productos LED adecuados, un diseño completo del programa de iluminación LED también incluye diseño óptico, diseño térmico, diseño de producto y diseño de accionamiento eléctrico. Dado que los LED son dispositivos de bajo voltaje, la conversión de la fuente de alimentación de CA de alto voltaje en controladores de corriente constante de bajo voltaje para LED enfrentará muchos desafíos." Zheng Qian, gerente senior de aplicaciones de ON Semiconductor China, señaló:" Además, para las ventajas de la iluminación LED, los controladores eléctricos LED deben ser confiables y altamente eficientes, seguros y de bajo costo. Por lo tanto, para diferentes aplicaciones de iluminación LED, primero debe seleccionar la topología eléctrica de conducción correcta." ON Semiconductor ahora puede proporcionar todas las soluciones de iluminación LED en el rango de potencia de 1W a 500W.
Con el fin de promover rápidamente el despegue del mercado de soluciones de iluminación LED, National Semiconductor Corporation (NSC) apuntó recientemente a un mercado de reemplazo directo muy grande para lámparas incandescentes, es decir, reemplazar directamente las lámparas incandescentes en hogares existentes u otros mercados de aplicaciones con Lámparas LED, y lanzó Se ha desarrollado un chip controlador LED de entrada de red directa LM3445 para este mercado.
Sin embargo, Wu Zhimin, gerente de marketing de productos de administración de energía de NSC Asia Pacífico, dijo:&"Las lámparas incandescentes han estado disponibles durante muchos años. Durante muchos años de estándares técnicos sin cambios, nuestros sistemas de iluminación para el hogar han estado siguiendo muchos años de estándares técnicos sin cambios. La situación no se puede cambiar de la noche a la mañana. Por ejemplo, debido a problemas como la disipación de calor y los ángulos de iluminación, los enchufes o dispositivos de luz originales de estilo antiguo no son adecuados para instalar bombillas LED. Sin embargo, además de los problemas técnicos, la rentabilidad también hace que las luces LED sean imposibles. La principal razón de la popularidad. Las bombillas de filamento de tungsteno y los tubos de neón cuestan alrededor de 0,6-0,7 USD / Klm, pero el precio actual de las luces LED sigue siendo tan alto como 40-50 USD / Klm."
Como se mencionó anteriormente, dado que la lámpara LED debe poder instalarse en el enchufe antiguo original, la disipación de calor es un gran problema que debe superarse. Pero estrictamente hablando, esto puede resolverse mediante tecnología de ingeniería mecánica. La responsabilidad de los fabricantes de sistemas LED es trabajar duro para desarrollar nuevas tecnologías para maximizar el brillo de los LED (es decir, la cantidad de lúmenes producidos por unidad de potencia). Wu Zhimin dijo con confianza:" Podemos proporcionar el controlador LED más eficiente para garantizar que la disipación de calor de todo el sistema de iluminación se pueda minimizar."
El costo relativamente alto de los LED es el principal obstáculo que aún es difícil para el mercado de la iluminación LED despegar a gran escala. Por ejemplo, Alexander Sommer, director de marketing de productos de la unidad de negocios de administración de energía de Infineon Technologies Co., Ltd. dijo: “La mayoría de las aplicaciones típicas de iluminación LED de menos de 25W son lámparas de señalización, lámparas de señalización y lámparas incandescentes estándar alternativas y lámparas halógenas. En comparación con la tecnología de las lámparas fluorescentes y las incandescentes, el costo inicial del LED sigue siendo un obstáculo importante para ingresar al mercado masivo."
El ingeniero de diseño y productos de Cytech, Xu Ruibao, también está de acuerdo en que el principal desafío de la comercialización es el costo. Dijo:" Actualmente, los sistemas de iluminación LED de varias potencias se pueden lograr eléctricamente. El desafío técnico proviene de los requisitos de las aplicaciones terminales, como las aplicaciones en automóviles, que deben tener en cuenta el diseño óptico y el diseño general de disipación de calor. Implementación comercial El desafío proviene principalmente del costo de los LED."
Consideraciones sobre la disipación de calor en el diseño de iluminación LED
Los sistemas de esquema de iluminación LED por debajo de 25 W generalmente están diseñados para aplicaciones como lámparas de escritorio de lectura, luces de pasillos, focos de sala de estar, luces de comedor en casa, luces de noche, etc. ser colocado El espacio de diseño es relativamente pequeño, por lo que la temperatura en el espacio de empaque puede ser muy alta cuando se usa durante mucho tiempo. Dado que es poco probable que el diseñador instale un ventilador de enfriamiento en él, su diseño de enfriamiento se vuelve muy crítico e importante.
& quot; La mayoría de las aplicaciones de iluminación LED de bajo consumo de menos de 25W requieren un cierto grado de miniaturización. Esto a menudo conduce a una mayor densidad de energía, aunque el consumo de energía no es grande. Deben proporcionarse medidas adecuadas de gestión de la disipación de calor mediante estructuras mecánicas mejoradas. Además, la alta eficiencia eléctrica ayuda a reducir el consumo de energía ”. AlexanderSommer señaló: “Si necesita reducir aún más la resistencia térmica, puede hacerlo a través del aislamiento eléctrico, porque puede lograr la mayor eficiencia de transferencia de calor. Estos métodos también permiten una salida de luz optimizada."
Otra forma de evitar que el LED se sobrecaliente durante mucho tiempo es utilizar una solución de atenuación. El gerente de marketing de productos de CI de alto voltaje de Fairchild Semiconductor, SangCheolHer, dijo: “En comparación con las lámparas fluorescentes y las incandescentes, el uso de soluciones de atenuación es una forma importante de reducir el consumo de energía LED. Esta solución se realiza mediante controladores de atenuación. Especialmente para menos de 25 W Debido al pequeño tamaño de la PCB y al espacio de empaque limitado, el problema de disipación de calor es inevitable para la solución de controlador LED de la empresa, por lo que esta solución es aún más importante."
De hecho, en este rango de potencia, la iluminación LED reemplazará a las lámparas halógenas y las lámparas fluorescentes compactas (CFL). Además, para eliminar el problema de la disipación de calor, la tecnología avanzada debe eliminar los componentes pasivos, como los condensadores electrolíticos, que son sensibles a los cambios de temperatura. Sin embargo, la mayoría de las soluciones de controladores LED actuales se derivan de la topología de la fuente de alimentación y, en base a esto, se debe considerar el rango de temperatura, porque los productos generales generalmente se basan en estándares comerciales, pero deben poder adaptarse a industrias exigentes como como industrias.
Selección de arquitectura de diseño de esquema de iluminación LED
La elección de la arquitectura del sistema de solución de iluminación LED depende de si su objetivo de diseño es bajo costo, alta eficiencia o área mínima de PCB. En términos generales, los sistemas de iluminación LED de menos de 25 W no requieren corrección de potencia, por lo que se puede adoptar una topología más simple, como la topología PSR o Buck. Las aplicaciones de iluminación LED de 25 W a 100 W requieren corrección de potencia, por lo que generalmente se utilizan PFC de una etapa, PWM cuasi resonante (QR) o topología flyback. Las aplicaciones de iluminación LED por encima de 100 W generalmente utilizan la topología LLC más eficiente y PFC de dos etapas.
& quot; Las soluciones de iluminación LED de menos de 25W de potencia pueden usar topología PSR o Buck, porque este rango de potencia es principalmente para diseños pequeños, enfatizando la simplicidad del diseño. La solución de potencia media (25W-100W) es adecuada para PFC de una etapa, PWM cuasi-resonante (QR), topología flyback." SangCheolHer dijo," Las soluciones de alta potencia (más de 100W) son adecuadas para LLC, QRPWM, diseño de topología flyback. Desde el punto de vista de la eficiencia, el rendimiento de LLC y QR es mejor; y El esquema PSR no requiere retroalimentación secundaria, es de diseño simple y tiene un tamaño más pequeño que otros esquemas."
Zheng Qian también dijo: “Las lámparas LED de menos de 25W se utilizan principalmente en iluminación interior, y utilizan principalmente topología flyback de bajo costo. Los circuitos integrados de conversión monolítica NCP1015 y NCP1027 de ON Semiconductor integran controladores PWM y MOSFET de alto voltaje integrados. Puede reducir eficazmente el área de PCB y el volumen de la lámpara, y proporcionar una potencia máxima de salida de 25 W (entrada de 230 VCA)."
& quot; Para aplicaciones de iluminación LED no aisladas con menos de 25W, si la relación de conversión de entrada a salida es baja, entonces un convertidor reductor simple puede ser una opción de bajo costo y volumen pequeño. En la topología aislada donde la eficiencia es importante, utilice una La topología flyback cuasi-resonante de los dispositivos de la serie Ling CoolSETICE2QS es una buena opción." Dijo AlexanderSommer. Infineon es el primer proveedor en proporcionar circuitos integrados de control de retroceso casi resonantes.
Las aplicaciones típicas de iluminación LED en el rango de potencia de 25 W a 100 W son el alumbrado público (caminos comunitarios) y lugares públicos como estacionamientos. La eficiencia de conversión de energía, la realización rentable de la función PFC y la alta calidad del color son ahora los tres desafíos técnicos más importantes. Por ejemplo, en las aplicaciones de iluminación comercial y de alumbrado público, la vida útil más prolongada y los costos más bajos resultantes están ayudando a superar las barreras de entrada de costos iniciales más altos. Las aplicaciones de iluminación LED de 25 W a 100 W tienen requisitos de factor de potencia, por lo que es necesario aumentar la potencia de corrección del factor de potencia.
& quot; Este tipo de electricidad puede adoptar la estructura tradicional de dos etapas, es decir, la electricidad de corrección del factor de potencia (PFC) en modo discontinuo activo más la electricidad de conversión DC-DCPWM, como ON Semiconductor' s controlador de corrección del factor de potencia NCP1607, la electricidad periférica del NCP1607 es muy simple y puede proporcionar un buen rendimiento." Zheng Qian dijo:" Para soluciones LED de alta eficiencia, bajo costo y pequeño volumen, vale la pena recomendar un circuito PFC de una sola etapa, que puede alcanzar simultáneamente el factor de potencia y la salida de CC aislada de bajo voltaje, y tiene una ventaja de costes significativa, sin duda se convertirá en la solución principal para la iluminación LED de potencia media. El NCP1652 de ON Semiconductor proporciona una solución de control óptima para la realización de potencia PFC de una sola etapa."
Shenzhen Shiqiang Telecom usa SiliconLabs' MCU de 8 bits de la serie C8051F3 para implementar PFC en el software. El subdirector de marketing de la empresa, Huang Sunfeng, dijo: “Hemos desarrollado una solución de iluminación LED totalmente digital para aplicaciones de iluminación LED de baja potencia de entrada de red doméstica (180 V-260 V), que puede controlarse mediante software para lograr un valor de PFC de hasta 0,95. Con hardware En comparación con PFC, esta solución de software tiene mayor flexibilidad, adaptabilidad y capacidad de actualización bajo la premisa del mismo índice de rendimiento." El controlador de LED MIC3230 utilizado en esta solución tiene una corriente de salida máxima de 350mA y puede conducir hasta 12 A 1W LED que puede satisfacer las necesidades de iluminación interior.
Alexander Sommer dijo:" Para aplicaciones de iluminación LED de potencia de 25W-100W que requieren eficiencia y rendimiento en un amplio rango de entrada y / o carga (como atenuación), se utiliza una topología flyback cuasi-resonante con una etapa PFC. Normalmente se pueden lograr eficiencias de hasta el 90%."
Las aplicaciones por encima de 100 W incluyen alumbrado público de alta velocidad y carreteras principales (donde se requieren hasta 20K lúmenes o más de brillo y una entrada de energía de 250W) y aplicaciones profesionales, como iluminación de escenarios y proyectores arquitectónicos. Una fuerza impulsora clave para el uso de LED en aplicaciones de alta potencia es el bajo costo de propiedad debido a la confiabilidad y el bajo consumo de energía. Por ejemplo, la eficiencia de su sistema es comparable a la de las lámparas de haluro metálico y de sodio de baja presión. La comparación de costos inicial puede seguir siendo la barrera de entrada a este mercado en el corto plazo.
Zheng Qian señaló:" Para aplicaciones LED de más de 100W, usaremos el circuito tradicional de corrección del factor de potencia de modo discontinuo activo y el circuito de conversión DC-DC resonante de medio puente. Hemos lanzado un nuevo tipo de controlador integrado, que integra un controlador de factor de potencia de modo discontinuo activo y un controlador resonante de medio puente con accionamiento de alto voltaje."
El controlador resonante de medio puente funciona a una frecuencia de conmutación fija y un ciclo de trabajo fijo, y el circuito no requiere control de retroalimentación en el lado de salida. Esto hace que el convertidor CC-CC resonante de medio puente funcione en los estados ZVS y ZCS más eficientes. La tensión de salida de CC seguirá la salida del circuito de corrección del factor de potencia.
Alexander Sommer enfatizó: “Para aplicaciones de iluminación LED de mayor potencia por encima de 100W, la eficiencia se vuelve más importante. Con la topología resonante LLC, puede lograr una eficiencia de más del 90%. Usamos el nuevo dispositivo de 8 pines ICE1HS01 de Infineon."
Independientemente de la potencia de salida del sistema de solución de iluminación LED, la elección de la potencia del controlador LED dependerá en gran medida del rango de voltaje de entrada, la caída de voltaje acumulada de la cadena de LED y la corriente requerida para impulsar el LED. Esto ha llevado a muchas topologías de controladores LED diferentes, como buck, boost, buck-boost y SEPIC.
Tony Armstrong, director de marketing de productos de la división de productos de energía de Linear Technology, señaló: “Cada topología tiene sus ventajas y desventajas. Entre ellos, el convertidor reductor estándar es la solución más simple y fácil. -Los convertidores Boost son los segundos y los convertidores SEPIC son los más difíciles de implementar. Esto se debe a que utiliza principios de diseño magnético complejos y requiere que los diseñadores tengan una excelente experiencia en diseño de fuentes de alimentación conmutadas."
En resumen, la aplicación del producto terminal determina la estructura topológica del LED y luego selecciona razonablemente la estructura Buck, Boost, SEPIC o Buck-Boost de acuerdo con la estructura topológica del LED y la fuente de alimentación de entrada." En términos generales, se utilizan más de 25W Bucks. Los más poderosos tienden a elegir la estructura Boost. En términos de eficiencia, ambos pueden alcanzar generalmente más del 85%, y el LT3755 puede alcanzar hasta un 97% de eficiencia. Considere la parte conductora. El costo general del sistema se debe considerar cuando el costo de la lista de materiales ". Xu Ruibao dijo: “A medida que la competencia se intensifica, siempre habrá soluciones de menor costo de BOM, pero es posible que no sean las más adecuadas. No diseñamos productos de acuerdo con este estándar. El área de PCB está controlada principalmente por los componentes principales. Las luces LED de bajo consumo deben adoptar una solución altamente integrada en la medida de lo posible. La solución de alta potencia debe elegir productos con alta integración técnica y alimentación externa simple. La discusión aquí se refiere a la solución DC-DC."
Liang Houquan también señaló:" Para lograr requisitos de alta eficiencia, se deben considerar los controladores LED de modo de conmutación. La mayoría de estos clientes prefieren elegir controladores LED reductores porque la eficiencia general es mayor. Si considera el costo de BOM más bajo, los convertidores LED de interruptor no son los más baratos. Estos clientes pueden intentar utilizar controladores LED de corriente constante lineal. Esto puede proporcionar el costo de BOM más bajo, pero la eficiencia puede no ser tan alta como la de los controladores LED de modo de conmutación. Por ejemplo, desde el área más pequeña de la placa de circuito impreso Considerando desde la perspectiva, los convertidores de modo de conmutación generalmente se seleccionan porque generan menos calor e incluso los componentes relacionados serán más pequeños."
Soluciones de atenuación analógicas, PWM y TRIAC
Las soluciones y especificaciones de atenuación LED han cambiado constantemente y no se han arreglado hasta ahora, por lo que ahora hay PWM, analógico y tiristor (TRA
