工業(yè)照明技術及電源控制解決方案

工業(yè)用戶在選擇光源時面臨許多壓力。法規(guī)和經濟壓力促使他們投資于節(jié)能照明，包括可以提供長壽命的發(fā)光二極管（LED），因此允許公司降低維護成本。

然而，照明技術的變化對于實現(xiàn)經濟目標并不是必不可少的。用于照明燈具的智能電源為工業(yè)用戶提供了廣泛的選擇，使他們更容易選擇適合應用的光源。

高強度放電（HID）金屬鹵化物燈已成為工業(yè)用戶中最受歡迎的選擇之一，特別是在需要經濟高效地覆蓋大面積的地方 - 例如裝載托架和高天花板倉庫。整體概念類似于熒光燈的概念，因為當它們被在兩個電極之間通過的電流激發(fā)時，光由離子產生。然而，與熒光光源不同，不需要磷光體將光子從紫外光譜轉換成可見光光譜。離子在很窄的頻率范圍內釋放可見光光子，使燈具有特有的顏色。

雖然概念簡單，但HID燈需要仔細的功率控制以最大限度地提高能效。它們需要很高的點火初始電壓 - 如果燈是冷的話，大約3到4千伏，如果燈仍然是暖的，則需要20千伏。當燈泡升溫時，需要限制電流直到燈泡完全運轉。

點火前，燈內弧隙呈現(xiàn)開路狀態(tài)。但是，一旦它點燃并開始導通，燈上的電壓就會急劇下降到20伏左右。電流即使不受限制，也會累積到非常高的破壞性水平。然而，隨著燈的升溫，電壓和輸出功率會增加，直到達到100 V左右的標稱值。此后，所提供的電流需要保持在一個恒定的水平，在避免顏色和亮度變化的陣列。

HID燈可能遭受由管內氣體中形成的駐波壓力引起的聲共振問題。這種共振會使管的玻璃變形甚至破裂，從而縮短燈泡的工作壽命。一個相關的問題是汞遷移。為了避免這些問題，可以使用以相當低的頻率（通常低于200Hz）運行的AC電壓來驅動HID燈。

所有這些因素都要求電子鎮(zhèn)流器能夠對所有這些工作點進行有效控制。用于控制HID燈的典型電路將包括降壓轉換器，以控制燈電流與全橋輸出相結合，以提供防止聲共振所需的AC輸出。全橋還需要一個脈沖變壓器電路來產生點火期間使用的千伏脈沖。由于所涉及的功率水平，需要許多分立元件，但開始出現(xiàn)復雜的控制IC，使電路更容易實現(xiàn)。

例如國際整流器公司生產的IRS2573D。該IC包含用于降壓轉換器的控制電路，全橋元件以及驅動反饋回路以控制燈電流和功率輸出的電流和電壓感測。該IC包含一個600 V高側驅動器，用于降壓轉換器的柵極驅動，提供逐周期過流保護。

圖1：使用國際整流器IRS2573DS的HID燈控制器的電路圖。 （點擊放大）

工業(yè)用戶也在轉向新技術。發(fā)光二極管（LED）為傳統(tǒng)照明技術提供了越來越有效的替代方案，提供高壽命，并且因為核心元件小而且易于布置在不同的封裝中，具有高靈活性。兩者都適合工業(yè)環(huán)境，通常需要專業(yè)的照明配件來照亮工作空間和機床的關鍵部件。

LED是一種定向光源，當安裝在燈具中時可以比其他技術（例如熒光燈或HID）具有更高的效率，這些技術在所有方向發(fā)光，要求反射器恢復一些光并將其引向感興趣的領域。

LED可以構建高度冗余的照明陣列，即使單個元件出現(xiàn)故障也能確保良好的照明。它們還支持將光照水平控制到精細粒度級別的能力，如果區(qū)域未被占用，則可以減少能量使用。例如，在街道照明應用中，當交通處于低水平時可以減少照明，然后當緊急服務通過時最大化。計算機網絡提供對各個燈具的必要控制。與不在峰值輸出下運行時失去效率的技術相比，這可以提供顯著的節(jié)能效果。

LED可以運行50，000小時，而金屬鹵化物運行大約15，000小時;工業(yè)級熒光燈20，000小時;或高壓鈉燈24，000小時。這種更長的壽命使得LED照明適用于更換燈的勞動力成本高的工業(yè)照明應用。

與熒光燈相比，LED的性能在較低溫度下得到改善，熒光燈在較低溫度下會降低。因此，用于寒冷氣候的制冷單元或外部照明可以充分利用LED照明。但是，為了實現(xiàn)高壽命和高效率的承諾，需要仔細設計和控制。主要問題是閃爍，壽命，熱量管理和效率，以及緊湊性，使LED可以輕松地改裝到現(xiàn)有的燈具和配件。

高效電源轉換在高亮度工業(yè)應用中至關重要，因為過多的熱量會降低LED的效率。高功率LED需要智能控制，以避免熱失控問題，在這種情況下，為了保持恒定的功率輸出而最終損壞受影響的LED本身，需要增加功率。

還需要實施功率因數校正。功率因數很重要，因為低功率因數增加了配電網絡中的損耗。世界各地的監(jiān)管機構正在強制執(zhí)行其功率因數規(guī)范。能源之星版本1.0 2007年9月9日固態(tài)照明燈具要求住宅應用的功率因數大于0.7，但商業(yè)和工業(yè)裝置的功率因數大于0.9。

對于可調光街道照明等先進的高功率應用，意法半導體開發(fā)了一個包含兩個關鍵階段的參考電路。第一種是前端功率因數校正裝置，L6562AT，第二種是諧振功率轉換器，L6599AT。

許多開發(fā)用于照明的電源轉換器采用降壓拓撲結構。然而，ST決定采用在連續(xù)導通模式下工作的反向降壓架構，以便電源開關可以連接到地而不是高端。這允許電源開關由微控制器直接驅動，使用脈沖寬度調制（PWM）更容易控制調光。該設計可以獨立驅動多達16個輸出通道，從低功率到高功率。

壽命損失的主要來源是電解電容器，它通常用于在功率因數校正和功率轉換級之間提供平滑。高亮度LED安裝產生的高熱量會使這些電容器相對較快地干燥，導致它們在LED或電源轉換電路之前很久就會發(fā)生故障。 Power Integrations設計了LinkSwitch-PH和LinkSwitch-PL系列LED驅動器，通過轉向單級架構來消除這些電容器。該公司還設計了其產品，以避免使用輸出電容器。

圖2：使用Power Integrations LinkSwitch-PH器件的可調光LED控制器的電路示例。 （點擊放大）恩智浦半導體的SSL4101將功率因數控制器和反激式控制器集成在一個封裝中，可以從低至70 V和高達305 V的任何交流電源驅動。為了實現(xiàn)靈活性，兩個功率級均可以準確運行 - 諧振或不連續(xù)導通模式，開關獨立工作。為了在需要低功率水平時減少損耗，功率因數校正將暫停操作，并且轉換器也將限制其工作頻率以減少開關損耗的影響。

在室外應用中，許多LED將用于多個串，以最大化光輸出并提供冗余。美國國家半導體LM3466為這些串提供專用控制。無論連接到電源的串數或每個LED串的正向電壓如何，該器件均以每個有源LED串的預設比率均衡電源提供的電流。如果在運行期間任何LED燈串打開，LM3466會自動均衡通過所有剩余有效LED燈串的電源電流。結果，即使在操作期間一些LED串打開，照明系統(tǒng)的整體亮度也得以保持。

LM3466集成了70 V功率MOSFET，電流限制為2 A.要為系統(tǒng)增加一個LED串，只需要一個電阻，一個電容和一個LM3466。監(jiān)控功能還包括欠壓鎖定，故障報告，熱閂鎖和熱關斷保護。 LM3466包含純線性電路，因此應用電路的EMI不會降低。

LED的優(yōu)勢之一在于它們的可調節(jié)性，但這是近年來已經提供給另一種節(jié)能照明技術的功能：熒光燈。熒光燈需要鎮(zhèn)流器進行控制，因為隨著管中的氬氣被激發(fā)，它會電離，從而增加導電性。傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器內部的電感器用于在較窄的電壓和頻率范圍內限制該電流。使用變頻逆變器的電子控制可以調節(jié)電感器的行為，并在更寬的頻率范圍內提供控制，從而提供控制燈泡輸出的能力。

電子鎮(zhèn)流器還可以提供功率因數校正，以符合能效法規(guī)以及網絡設備的故障報告。

Atmel已經制作了一個參考設計套件，用于演示電子控制如何在工業(yè)環(huán)境中使熒光燈受益。例如，Atmel ATAVRFBKIT將公司的AVR微控制器與IXYS的功率半導體相結合，提供可調光鎮(zhèn)流器，可以使用90至265 V的任何交流電壓和90至370 V DC的直流電源。該裝置將驅動兩個T8燈，并具有多種節(jié)能選項。

除了提供調光支持的L6574外，意法半導體還擁有L6585DE鎮(zhèn)流器控制器組合IC，它集成了功率因數校正和自動檢測老式和故障T8燈管。

當舊燈連接到鎮(zhèn)流器時，點燃燈所需的觸發(fā)電壓將高于標稱電壓，甚至可能高于安全閾值。點火期間，由于頻率會降低，鎮(zhèn)流器輸出端的電壓很容易達到危險值。類似地，如果燈管損壞，則燈不能點燃并且必須限制燈電壓。

如果電壓達到臨界水平，L6585DE將從流入燈的電源中吸收電流，從而增加頻率并限制電流和電壓。該IC還支持舊燈具有的幾種現(xiàn)象，例如整流效果，并對其進行校正。

通過開發(fā)一系列控制IC和功率半導體，供應商為工業(yè)用戶提供了廣泛的照明選擇，因為他們希望降低能源成本并提高可靠性。