像白熾燈、鹵素?zé)艉蜔晒鉄暨@樣的傳統(tǒng)建筑照明 （AL） 光源，現(xiàn)在正迅速被基于發(fā)光二極管 （LED） 的照明技術(shù)和新設(shè)計(jì)所取代。原因很明顯：除法規(guī)要求外，LED 照明可保證能效更高、運(yùn)營(yíng)成本更低、熱負(fù)荷更小，可實(shí)現(xiàn)更低維護(hù)成本的更長(zhǎng)安裝壽命，而且是更智能化建筑功能管理的途徑。

　　但是用 LED 來替換那些歷史悠久的燈具中燈泡并不是一件容易的事，因?yàn)樽龅较嗤男螤詈瓦m合性接口并非易事。同時(shí)需要新的驅(qū)動(dòng)電路，以提供可控的電流（而不是電壓），且通常具有調(diào)光功能。此外，白熾燈是阻性負(fù)載，可以直接連接交流電源線運(yùn)行，LED 則不同。LED 照明沒有統(tǒng)一的整功率因數(shù)——即電流和電壓同相——而且其開關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)電路可能成為電磁干擾源 （EMI） 。相反，驅(qū)動(dòng)電路必須提供并控制所需的驅(qū)動(dòng)電流，其控制方式應(yīng)根據(jù) LED 負(fù)載的特性進(jìn)行優(yōu)化。驅(qū)動(dòng)器可能還必須執(zhí)行功率因數(shù)校正 （PFC）、調(diào)光功能和 EMI 抑制。

　　本文將探討建筑照明的各個(gè)方面以及用于實(shí)現(xiàn)基于 LED 的建筑照明 IC。然后以 Diodes Incorporated 的 IC 為例，介紹這些器件在實(shí)際電路中使用情況。

　　AL 的目標(biāo)和 LED 挑戰(zhàn)

　　AL是指嵌入諸如零售店、辦公室或倉庫之類的商業(yè)、非住宅結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用。建筑照明設(shè)計(jì)的目標(biāo)是追求藝術(shù)和照明科學(xué)之間的平衡，以營(yíng)造氛圍、誘人的觀感，并提升空間或場(chǎng)所體驗(yàn)，同時(shí)還要滿足技術(shù)和安全要求。建筑照明不包括由人們帶來的或重新安排的臨時(shí)性照明燈具，如他們最喜歡的臺(tái)燈；相反，建筑照明“隨建筑而生”，盡管通常允許一定的靈活性，甚至隨著短期和長(zhǎng)期需求的發(fā)展還會(huì)重新布局。

　　近年來，AL 發(fā)展成為一個(gè)范圍更大的技術(shù)驅(qū)動(dòng)型領(lǐng)域；同時(shí)，節(jié)能要求以及與照明管理的相關(guān)功能、特點(diǎn)在很大程度上造成了 AL 又面臨著諸多挑戰(zhàn)。隨著基于 LED 的照明已成為升級(jí) AL 的主導(dǎo)因素，能夠有效驅(qū)動(dòng) AL 燈具（裝置）中 LED 的技術(shù)、電路和元器件變得愈發(fā)重要。

　　向基于 LED 的 AL 過渡的大部分推動(dòng)力來自多種監(jiān)管授權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了效率的不同方面，包括可調(diào)光性、PFC 和 EMI 生成以及其他因素。這些極其復(fù)雜、冗長(zhǎng)的要求的具體規(guī)定在全球各個(gè)國(guó)家、地區(qū)，甚至在美國(guó)各州之間都有所不同。

　　在美國(guó)，重要的監(jiān)管要求包括聯(lián)邦能源之星標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格的加州建筑標(biāo)準(zhǔn)法規(guī) Title 24。在其許多其他考慮因素中，Title 24 的要求如下：

　　用于自動(dòng)開啟/關(guān)閉照明負(fù)載的占位傳感器

　　具有調(diào)光功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器

　　更高的效率，按照每瓦特輸入功率的有用流明數(shù)來衡量

　　智能互聯(lián)照明 （SCL） 支持通過藍(lán)牙、Zigbee 或 DALI/IEC 62386 無線控制單個(gè)和分組燈具，系統(tǒng)待機(jī)功耗低于 200 mW。

　　LED 輸出電流紋波低于 30%，以避免令人感到不適、分散注意力的閃爍

　　在規(guī)定的更高功率下，PFC 為 0.9 或更高

　　總諧波失真 （THD） 低于 20%，以盡量減少非阻性負(fù)載造成的功率浪費(fèi)

　　關(guān)于調(diào)光率和閃爍的說明：盡管人眼通常對(duì) 100 Hz 以上的閃爍不敏感，但有一種有時(shí)被稱為“閃爍”的相關(guān)現(xiàn)象，它在通過脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 技術(shù)對(duì) LED 進(jìn)行調(diào)光時(shí)發(fā)生，無論是進(jìn)行亮度還是顏色控制。在 PWM 模式下，LED 在短時(shí)間內(nèi)高速關(guān)閉（數(shù)百微秒）。這種調(diào)光率可以與基本的 LED 讀數(shù)、顯示屏幕、安防攝像頭和其他光學(xué)成像設(shè)備的掃描和刷新率相互作用。因此，LED 的刷新率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于眼睛本身的敏感率，來自 Diodes Incorporated 的元器件就符合這種要求。

　　從芯片到芯片組

　　滿足諸多能源相關(guān)型要求是一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，必須在各種相互沖突的方法中游刃有余，因?yàn)槊總€(gè)目標(biāo)的“最佳”解決方案之間不可避免地存在相互作用和折中。單獨(dú)的集成電路經(jīng)過優(yōu)化后用于解決問題的特定方面，但完整的解決方案需要確保這些集成電路和和諧工作、相互加強(qiáng)，而不是相互抵消。

　　所以，我們?nèi)チ私饽硞€(gè)供應(yīng)商的 IC 和及其組裝的任何相關(guān)芯片組（經(jīng)過驗(yàn)證的電路）往往是有意義的。這為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)經(jīng)過測(cè)試的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一個(gè)良好的開端。對(duì)于基于 LED 的 AL，Diodes Incorporated 提供的建議芯片組分為兩組，一組支持較低的功率情況（低于 30 W），另一組用于較高功率的裝置（高于 30 W），前者通常用于室內(nèi)，后者用于室外。

　　圖 1 框圖顯示了三個(gè)基本 IC 如何構(gòu)成 《30 W 應(yīng)用及如何相互作用，以實(shí)現(xiàn)所需的核心功能。這三個(gè)基本 IC 分別為可調(diào)光 LED 控制器、紋波抑制器和調(diào)光信號(hào)接口控制器。

圖 1：高級(jí) IC——可調(diào)光 LED 控制器、紋波抑制器和調(diào)光信號(hào)接口控制器，構(gòu)成了《30 W 建筑照明設(shè)計(jì)的核心器件。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　我們來單獨(dú)看這三個(gè) IC。AL1666S-13 高性能可調(diào)光 LED 控制器的輸入電壓范圍寬，具體為 85 VAC 至 305 VAC，其 PFC 大于 0.9 且 THD 低于 10%。該 IC 支持 0 - 10 V 模擬調(diào)光，范圍為 5% 至 100%，可與搭配使用所有的 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光器；用于非模擬 PWM 調(diào)光時(shí)，范圍為 1% 至 100%，頻率為 1 kHz。為了保持性能一致性，該 IC 具有嚴(yán)格的、優(yōu)于 ±2% 的 LED 電流電源調(diào)整率，以及優(yōu)于 ±2% 的、從半載到滿載的 LED 電流負(fù)載調(diào)節(jié)能力。

　　AL5822W6-7 是一款自適應(yīng) 100/120 Hz LED 電流紋波抑制器，采用 SOT-23-6 封裝。該 IC 解決了將電流紋波降至最低的難題，可滿足日益嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于該 IC 與 LED 連接，因此有必要加入防止短路、過流和過熱的保護(hù)措施，同時(shí)將電路和燈泡插入“帶電”插座時(shí)支持熱燈泡操作。該 IC 可以顯著減少波紋，使其下降到初始值的百分之幾，一些基本數(shù)字已經(jīng)驗(yàn)證了這點(diǎn)。例如，當(dāng)與 AL1665S-13 高性能可調(diào)光 LED 控制器組合使用時(shí)（AL1666S-13 的同類器件），電流紋波峰谷值約為 520 mA，但與 AL5822 組合使用時(shí)則降至僅 17 mA（圖 2）。

圖 2：在設(shè)計(jì)中加入 AL1665S-13 高性能可調(diào)光 LED 控制器，可將電流紋波從 520 mA 的峰峰值降低至僅 17 mA。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　最后是 AL8116W6-7，這是一款靈活的 0 - 10 V 調(diào)光信號(hào)接口控制器。該 IC 具有 10 V - 56 V 的寬 VCC 范圍，可以通過輔助繞組輸出電壓、電源軌或 LED 鏈電壓供電。該 IC 支持使用 0 - 10 V 控制的 0.2 kHz 至 10 kHz 圍內(nèi)的 PWM 調(diào)光，以及電位器（電阻式）調(diào)光 （0 - 100 kΩ）。該 IC 將調(diào)光控制轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的 PWM 輸出，同時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的交叉隔離勢(shì)壘調(diào)光解決方案。該 IC 還提供 ±2.5% 的 PWM 輸出占空比，以獲得精確的調(diào)光曲線，這在多 LED 裝置中是至關(guān)重要的。

　　當(dāng)然，高級(jí)框圖在顯示總材料清單 （BOM） 方面可能帶有欺騙性，包括無源元件、分立式有源元件和其他 IC。因此，必須看實(shí)際原理圖，以了解完整的電路需要什么，因?yàn)檫@會(huì)影響到封裝、生產(chǎn)和成本。

　　對(duì)于圖 1 中的 《30 W 芯片組，下面圖 3 所示的原理圖顯示了實(shí)際需要的元器件。（需要變壓器 T1 和光耦合器在初級(jí)和次級(jí)之間實(shí)現(xiàn)電隔離。）

圖 3：從圖 1 所示高級(jí)框圖的詳細(xì)原理圖可以看出，在完整的設(shè)計(jì)中只需要另加幾個(gè)組件。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　由于所有基于開/關(guān)的電源電路都具有僅憑原理圖是無法揭示的現(xiàn)實(shí)世界的微妙之處，因此評(píng)估板是一種可以加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證和核實(shí)的資產(chǎn)。AL1666+AL8116+AL5822EV1 是一款評(píng)估板，采用上述三種 IC 來提供一個(gè) 0 V - 10 V 可調(diào)光、高 PFC、單級(jí)反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器（圖 4）。該評(píng)估板在 25 V - 50 V 電壓范圍內(nèi)提供 1200 mA 恒流輸出，輸入電壓為 90 VAC - 305 VAC。

圖 4：為了加速完成項(xiàng)目，AL1666+AL8116+AL5822EV1 評(píng)估板（頂部和底部）有助于深入了解可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行。該評(píng)估板采用 AL1666 初級(jí)側(cè)側(cè)控制器、AL8116 次級(jí)側(cè)調(diào)光接口 IC 和 AL5822 LED 電流紋波抑制器。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　尺寸對(duì)后向兼容非常重要

　　除了常見的“越小越好”理由外，為什么小尺寸和小 BOM 很重要？在單獨(dú)或分組使用 LED 驅(qū)動(dòng) IC 時(shí)，部分原因是針對(duì)現(xiàn)有燈具（燈泡）的向后兼容問題。

　　例如，通常使用的 AL 燈形狀各異，但其中一種特別廣泛用于住宅和商業(yè)環(huán)境中是定向照明 MR16（圖 5）。多年來，這種外形的鹵素光源燈泡一直是標(biāo)準(zhǔn) AL 照明的首選之一。

圖 5：使用鹵素作為光源的 MR16 燈泡的外形和尺寸在 AL 裝置中廣泛使用。（圖片來源：維基百科；W.W. Grainger， Inc.）

　　MR16 的周長(zhǎng)最大時(shí)，直徑為 2 英寸。“MR”代表多面反射器，這就是能夠控制其投射光線的方向和傳播的原因。這種燈泡通常（但并不總是）采用 12 V 交流供電，一般情況下通過線路電壓降壓變壓器供電。

　　一個(gè)小型鹵素 MR16 需要 20 W，使用壽命為 2000 至 6000 小時(shí)。相比之下，LED 等效產(chǎn)品只需要數(shù)瓦電源，而且使用壽命為 10 萬小時(shí)左右。隨著 AL 向基于 LED 的光源過渡，重要的一點(diǎn)是能夠在這種封裝中包含所需的電路，以便為巨大的售后更換市場(chǎng)以及新型的 AL 設(shè)計(jì)導(dǎo)入提供“相同形狀和適配性”的燈泡。

　　滿足更高的功率需求

　　對(duì)于諸如戶外應(yīng)用等 30 W 以上的 LED 燈驅(qū)動(dòng)（相當(dāng)于約 3 A 的 LED 電流驅(qū)動(dòng)），兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能優(yōu)于單級(jí)方法，盡管其控制和通信模塊可以是相同的（圖 6）。

圖 6：功率較高的 LED 照明設(shè)計(jì)（30 W 以上）利用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（右）與較低功率設(shè)計(jì)的單級(jí)方法（左），兩者的“智能”接口可能相同。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　在本例中，更高功率 LED 照明設(shè)計(jì)方案的電路原理圖展再次示了更深層次的內(nèi)容（圖 7）。

圖 7：原理圖再次顯示了這種較高功率解決方案所提供的相對(duì)較高的集成度。（圖片來源： Diodes Incorporated）

　　與低功率設(shè)計(jì)一樣，三個(gè) IC 是該實(shí)施方案的核心。首先是 AL1788W6-7，這是一款初級(jí)側(cè)控制器，它支持降壓和和不需要要光耦合器的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)具有“谷值開啟功能”的準(zhǔn)諧振 （QR） 運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了低開關(guān)損耗。功率因數(shù)優(yōu)于 0.9，而且 THD 低于 15%；待機(jī)功耗低于 200 mW（例如在白天關(guān)燈時(shí)使用）提高了整體效率。

　　接下來是 AL17050WT-7，這是一款通用型 AC 非隔離降壓穩(wěn)壓器，以微小的 SOT-25 封裝提供精確的恒定電壓 （CV） 控制和極低待機(jī)功耗。該器件集成了一個(gè) 500 V MOSFET 并搭配一個(gè)單繞組電感器，從而使外部元器件更加簡(jiǎn)單，BOM 成本更低。由于其在整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電氣作用和位置，該器件包括多個(gè)生產(chǎn)“層”，包括過溫保護(hù)、VCC 欠壓鎖定、輸出短路保護(hù)、過載保護(hù)和開環(huán)保護(hù)。

　　最后是 AL8843SP-13，這是一款 1 MHz 降壓穩(wěn)壓器和模擬 LED 驅(qū)動(dòng)器，具有 PWM 調(diào)光功能，能夠提供高達(dá) 3A 的輸出電流，可通過外部電阻器調(diào)節(jié)。該器件在 4.5 - 40 V 寬輸入電壓下工作，電流檢測(cè)精度為 ±4%，適合在多 LED 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)出色的通道匹配。

　　AL8843SP-13 集成了電源開關(guān)和一個(gè)高壓側(cè)輸出電流檢測(cè)電路；根據(jù)電源電壓和外部元器件，該轉(zhuǎn)換器的輸出功率高達(dá) 60 W，效率高達(dá) 97%?？赏ㄟ^將外部控制信號(hào)施加到一個(gè)接受直流電壓或 PWM 信號(hào)的單封裝引腳上來實(shí)現(xiàn)重要的調(diào)光功能。這種熱增強(qiáng)型 SO-8EP 封裝的器件還具有多個(gè)保護(hù)模式，包括 LED 開路或短路保護(hù)、電流檢測(cè)電阻開路或短路以及其他保護(hù)模式。

　　與低功率 LED 驅(qū)動(dòng)布局一樣，高功率解決方案的評(píng)估板可以大大減少詳細(xì)了解全面設(shè)計(jì)導(dǎo)入情況所需的時(shí)間，從而更有效地推動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)展。針對(duì) AL8843SP-13 降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器——高功率設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的元件，Diodes Incorporated 推出 AL8843EV1 評(píng)估板。

　　AL8843EV1 評(píng)估板允許在沒有交互或者其他有源元器件造成的干擾下對(duì) IC 進(jìn)行基本測(cè)試。

　　然后是“互聯(lián)照明”

　　帶來實(shí)現(xiàn)“智能互聯(lián)照明 （SCL） ”的機(jī)會(huì)——通常被簡(jiǎn)單描述為“互聯(lián)照明”，這是基于現(xiàn)代 LED 的照明的其他既實(shí)用又可用的增強(qiáng)功能之一。在其各種屬性中，允許通過連接標(biāo)準(zhǔn)以分組以及單獨(dú)的形式控制燈。

　　SCL 有哪些好處？從更高級(jí)系統(tǒng)的角度來看，甚至可能有一些猜測(cè)和夸張，互聯(lián)照明的基礎(chǔ)設(shè)施就是對(duì)整個(gè)建筑連網(wǎng)的投資。流經(jīng)這種基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)讓建筑管理者能夠整合、實(shí)施自動(dòng)化并延長(zhǎng)核心建筑系統(tǒng)的壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高性能并減少停機(jī)時(shí)間。

　　有些分析者認(rèn)為，互聯(lián)照明的好處遠(yuǎn)超單純的照明。例如，Silvair 首席技術(shù)官和創(chuàng)始人 Szymon Slupik 指出：“智能照明所帶來的附加服務(wù)價(jià)值是照明控制和節(jié)能本身的七到十倍“。

　　SCL 燈經(jīng)常長(zhǎng)期處于被動(dòng)“監(jiān)聽”狀態(tài)，因此待機(jī)功耗是設(shè)計(jì)者關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)，各種法規(guī)要求中都規(guī)定了最大數(shù)值。Diodes 的控制器和穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的額定待機(jī)功耗低于規(guī)定值。這些器件還可搭配使用支持各種接口標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)光控制/通信型號(hào)，包括藍(lán)牙、Zigbee 和 Wi-Fi。

　　要推動(dòng)互聯(lián)照明安裝，其中的一個(gè)因素就是制定全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保來自不同供應(yīng)商的 SCL 組件可以互操作。例如，藍(lán)牙特別興趣小組 （SIG） 已經(jīng)與照明行業(yè)合作，開發(fā)針對(duì)創(chuàng)建適用型大規(guī)模設(shè)備網(wǎng)絡(luò)而進(jìn)行優(yōu)化的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。此外，藍(lán)牙 SIG 和 DALI 聯(lián)盟合作創(chuàng)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，使 D4i 認(rèn)證燈具和 DALI-2 設(shè)備能夠在基于藍(lán)牙的網(wǎng)狀網(wǎng)照明控制網(wǎng)絡(luò)中部署（D4i 是針對(duì)智能、物聯(lián)網(wǎng)就緒型燈具的 DALI 標(biāo)準(zhǔn)）。通過這個(gè)接口，數(shù)據(jù)可以在傳感器豐富的燈具和照明控制器之間暢通無阻地流動(dòng)，甚至可以流向其他的建筑管理系統(tǒng)。

　　結(jié)語

　　基于 LED 的智能建筑照明正在提高商業(yè)建筑照明系統(tǒng)的能源效率。它也是在整體建筑性能方面實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期潛在收益的一個(gè)關(guān)鍵因素。來自 Diodes Incorporated 的控制器、穩(wěn)壓器和 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 專用于基于 LED 的 AL 及其優(yōu)化，也是將這些先進(jìn) AL 所具備的、可能的潛在優(yōu)勢(shì)成功轉(zhuǎn)化為性能強(qiáng)大、功能多樣、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的現(xiàn)實(shí)所需的關(guān)鍵構(gòu)件。

　　參考文獻(xiàn)

　　DALI 聯(lián)盟，D4i——用于智能化物聯(lián)網(wǎng)就緒型燈具的 DALI 標(biāo)準(zhǔn)