如何讓建築照明設計發揮最佳 LED 效能

作者：Bill Schweber

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2021-10-12

在現有設計和新設計中，以發光二極體 (LED) 為基礎的照明，正在迅速取代傳統的建築照明 (AL) 光源，也就是白熾燈、鹵素燈和螢光燈燈泡。原因很明顯：除了法規要求之外，LED 照明可望大大提升效率、降低運作成本與熱負載、大幅延長安裝壽命 (可降低維護成本)，以及實現更智慧的建築功能管理。

但是，要將 LED 用於一個造型和裝配性都適合傳統燈具的燈泡中，不是件容易的事。這通常需要具有調光功能的新驅動電路來提供受控電流 (而非電壓)。此外，白熾燈泡屬於電阻負載，可直接從 AC 電源線運作，但 LED 不同。LED 不提供單位功率因數 (即電流和電壓同相位)，而且所使用的切換式穩壓器驅動電路，可能會帶來電磁干擾 (EMI)。相反地，此驅動電路必須以最適合 LED 負載特性的方式，提供和控制所需的驅動電流。此外，驅動器還可能需要實作功率因數校正 (PFC)、調光功能和 EMI 抑制。

本文將探討建築照明的各個方面，以及實現 LED 型建築照明的 IC。接著以 Diodes Incorporated 的 IC 作為介紹範例，描述其在實際電路中的使用情況。

建築照明的目標和 LED 的挑戰

建築照明係指商業非住宅結構 (如零售店、辦公室或倉庫) 內外嵌入式照明系統的設計和運用。建築照明設計的目標，是在照明的藝術和科學之間取得平衡，既要營造出氣氛、視覺趣味，強化空間或場所的體驗，又要滿足技術和安全要求。建築照明不包括人們隨意帶入或重新佈置的照明，例如放入最喜愛的桌燈；建築照明是「涵蓋在建築物之中」的照明，但通常有一些彈性，甚至會隨著短期和長期需求的演變而重新佈置。

近年來，建築照明領域擴大、技術導向升高，而且面臨更多挑戰，主要是因為需要節能和管理照明的相關功能及特性。隨著 LED 型照明已成為升級建築照明的主要因素，那些能在建築照明泛光燈 (燈具) 中有效驅動 LED 的技術、電路和元件，已變得越來越重要。

多項法規要求和標準，大大促使人們轉型至 LED 型建築照明，這些要求和標準定義了對於效率的各種視角，包括調光性、PFC，以及 EMI 的產生等等。這些要求十分複雜冗長，具體細節在全球區域、不同國家和地區 (甚至美國各州) 各有不同。

美國的重要法規要求包括聯邦能源之星標準，以及比聯邦能源之星更嚴格的《加州建築標準規範》第 24 章。在許多其他考量因素中，第 24 章要求：

為自動開啟／關閉照明負載使用佔位感測器
使用具有調光功能的 LED 驅動器
透過輸入功率每瓦輸出的有用流明，測出具有較高的效率
使用智慧型連線照明 (SCL) - 其支援透過藍牙、Zigbee 或 DALI/IEC 62386，無線控制個別的燈具和燈具組，且系統待機功率小於 200 mW
LED 輸出電流漣波低於 30%，避免惱人和令人分心的閃爍
在定義的較高功率下，PFC 為 0.9 或更高
總諧波失真 ( THD) 低於 20%，以最大限度地減少因非電阻負載造成的功率浪費

調光率和閃爍備註說明：雖然人眼通常對 100 Hz 以上的閃爍不敏感，但在使用脈寬調變 (PWM) 對 LED 進行調光，以便控制亮度或色彩時，則會出現一種關聯現象，有時稱為「電子閃爍」。在脈寬調變中，LED 會高速短暫關閉 (數百微秒)。這種調光率能與基本 LED 讀數、顯示螢幕、保全攝影機和其他光學影像裝置的掃描率和更新率互動。因此，LED 更新率應遠遠高於眼睛本身的敏感度，Diodes Incorporated 的元件就是如此。

從晶片邁進到晶片組

若要滿足多項能源相關要求是一項設計難題，需要同時使用許多互相衝突的方法，因為每個目標的「最佳」解決方案之間，免不了互動和相互妥協。雖然有些個別 IC 經過最佳化，能解決問題的特定方面，但一個完整的解決方案必須確保這些 IC 能協調運作並互相強化，而不是互相對抗。

因此，考慮單一供應商提供的 IC，以及此供應商組裝的任何相關晶片組 (聚集這些 IC 且經過驗證的電路)，通常是合理之舉。這能為設計人員提供經過測試的拓撲，也是個很好的起點。對於 LED 型建築照明，Diodes Incorporated 提供兩組建議的晶片組，一組支援較低功耗情況 (低於 30 W)，通常用於室內；另一組支援較高功率安裝 (高於 30 W)，通常用於室外。

圖 1 中的方塊圖說明三個基本 IC 如何互動，提供所需的核心功能。這三個 IC 是可調光 LED 控制器、漣波抑制器，和調光訊號介面控制器，以適用於 30 W 以下功率應用的晶片組構成。

圖 1：可調光 LED 控制器、漣波抑制器和調光訊號介面控制器，這三個進階 IC 構成 30 W 以下建築照明設計的核心。(圖片來源：Diodes Incorporated)

下面將個別探討這三個 IC。AL1666S-13 是一款高效能可調光 LED 控制器，輸入電壓範圍寬廣 (85 VAC 至 305 VAC)，功率因數校正 (PFC) 大於 0.9，總諧波失真 (THD) 小於 10%。此裝置可在 5% 至 100% 範圍內，進行 0 V 至 10 V 類比調光，並適用所有 ANSI 標準調光器；對於非類比 PWM 調光，在 1 kHz 時的範圍為 1% 至 100%。為了保持效能一致，提供優於 ±2% 的嚴格 LED 電流線路調節，並從滿載降至半載，提供優於 ±2% 的 LED 電流負載調節。

接下來是 AL5822W6-7，這是一款調適型 100/120 Hz LED 電流漣波抑制器，採用 SOT-23-6 封裝。此裝置克服了「將電流漣波降至最低，以滿足日益嚴格的標準」的難題。此外，由於連接 LED，此裝置必須結合短路、過電流和過熱保護機制，並在電路和燈泡插入帶電插槽時，支援高溫燈泡運作。此裝置能顯著減少漣波，使其減少到原始值的幾個百分點，如一些基本數字所示。例如，當與 AL1665S-13 高效能可調光 LED 控制器 (AL1666S-13 的相近裝置) 搭配使用時，電流漣波約為 520 mA (峰對峰)，但與 AL5822 搭配使用時，降到只有 17 mA (圖 2)。

圖 2：在設計中加入 AL1665S-13 高效能可調光 LED 控制器，可將漣波從 520 mA (峰對峰)，降到只有 17 mA。(圖片來源：Diodes Incorporated)

最後是 AL8116W6-7，這是一款 0 V 至 10 V、具有彈性的調光訊號介面控制器。其工作 V_CC 範圍寬廣，從 10 V 至 56 V；這可從輔助繞組、電軌或 LED 鏈電壓的輸出電壓中取得。此元件支援使用 0 V 至 10 V 控制，在 0.2 kHz 至 10 kHz 範圍內進行 PWM 調光，也支援電位器 (電阻式) 調光 (0 至 100 kΩ)。其能將調光控制轉換為系統所需的 PWM 輸出，同時提供簡易的交叉隔離屏障調光解決方案。此外，還提供 ± 2.5% PWM 輸出工作週期，以獲得準確的調光曲線，這在多重 LED 安裝中非常重要。

當然，在顯示總物料清單 (BOM，包括被動元件、離散主動元件和其他 IC) 方面，高階方塊圖可能讓人迷惑。因此，務必查看實際線路圖，瞭解整個電路的需求為何，因為這會影響封裝、生產和成本。

對於圖 1 中小於 30 W 的晶片組，下方圖 3 的線路圖顯示實際需要的元件極少(變壓器 T1 和光耦合器，是隔離一次側和二次側間電流的必要元件)。

圖 3：圖 1 中高階方塊圖的線路圖，其細節說明整個設計只需要幾個額外的元件。(圖片來源：Diodes Incorporated)

現實情況下，所有開關式電源電路都有其細微之處，單憑線路圖無法得知，因此評估板是加速設計確效和驗證的資產。AL1666+AL8116+AL5822EV1 是一款評估板，使用先前提到的三個 IC，提供 0 V 至 10 V 的可調光高 PFC 單級返馳式 LED 驅動器 (圖 4)。其可在 90 VAC 至 305 VAC 的輸入電壓下，於 25 V 至 50 V 的電壓範圍內提供 1200 mA 的恆定輸出電流。

Diodes 的 AL1666+AL8116+AL5822EV1 評估板圖片圖 4：為了加速完成專案，AL1666+AL8116+AL5822EV1 評估板 (最上方和最下方) 利用 AL1666 一次側控制器、AL8116 二次側調光介面 IC 和 AL5822 LED 電流漣波抑制器，讓人能更深入瞭解可調光 LED 驅動器電路的運作。(圖片來源：Diodes Incorporated)

尺寸對於向下相容性非常重要

除了「越小越好」這個司空見慣的理由之外，為什麼小尺寸和較短的物料清單很重要？部分是因為單獨或集體使用 LED 驅動 IC 時，與現有燈具 (燈泡) 向下相容的問題。

例如，雖然建築照明常用的造形有很多，但用於居住和商業環境方向性照明的 MR16，使用特別廣泛 (圖 5)。多年來，這種造形的鹵素光源燈泡，一直是標準建築照明的首選之一。

使用鹵素光源的 MR16 燈泡造形與尺寸的圖片 圖 5：使用鹵素光源的 MR16 燈泡造形與尺寸，廣泛用於建築照明安裝。(圖片來源：Wikipedia；W.W. Grainger, Inc.)

MR16 最大周長下，直徑為 2 in。「MR」代表多重反射罩，控制所投射光線的方向和傳播。這種燈泡通常 (但並非總是) 由 12 V AC 線路供電，而此電路一般是透過線路電壓降壓變壓器來提供。

小型鹵素燈 MR16 需要 20 W 的功率，使用壽命為 2,000 至 6,000 個小時。相比之下，等效的 LED 燈只需要幾瓦的功率，使用壽命為 100,000 個小時。隨著建築照明轉型至 LED 型光源，重要的是能夠在封裝中納入所需的電路，以便為巨大的替換件售後市場及新的建築照明導入設計，提供具有適當造型和裝配性的燈泡。

滿足更高的功率需求

對於 30 W 以上的 LED 燈驅動 (相當於大約 3 A 的 LED 電流驅動)，例如戶外應用，雖然控制和通訊模組可能相同，但兩級拓撲可能比單級方法更受青睞 (圖 6)。

圖 6：比起較低功率的單級設計方法 (左)，較高功率 (30 W 以上) 的 LED 照明設計使用二級拓撲 (右)，但兩者可能使用相同的「智慧型」介面。(圖片來源：Diodes Incorporated)

同樣地，電路圖提供更詳細的資訊 (圖 7)；在本例中為較高功率 LED 照明設計解決方案的電路圖。

圖 7：線路圖再次顯示此較高功率解決方案，提供相對較高的整合度。(圖片來源：Diodes Incorporated)

與在較低功率設計中一樣，此實作以三個 IC 作為核心。第一個是 AL1788W6-7，這是一款一次側控制器，支援降壓式和返馳式拓撲 (無需使用光耦合器)，而其具有「谷值開啟功能」的準共振 (QR) 操作，提供低切換損耗。功率因數優於 0.9，THD 低於 15%，且待機功率低於 200 mW (例如，在一天中關燈時使用)，可增加整體效率。

接下來是 AL17050WT-7，這是一款通用 AC 非隔離式降壓穩壓器，在一個微小的 SOT-25 封裝中，提供準確的恆定電壓 (CV) 控制，且待機功率極低。它整合了一個 500 V MOSFET，並與單繞組電感器配合使用，從而可簡化外部元件並縮減成本物料清單。由於在整個拓撲中的電氣作用及地位使然，此裝置內含多個生產「層」，包括過熱保護、V_CC 欠壓鎖定、輸出短路保護、過載保護和開迴路保護。

最後是 AL8843SP-13，這是一款具有 PWM 調光功能的 1 MHz 降壓穩壓器兼類比 LED 驅動器，能提供高達 3 A 的輸出電流 (此電流可透過外部電阻進行調節)。此裝置具有寬廣的輸入電壓範圍，從 4.5 V 至 40 V，並具有 ±4% 的電流感測準確度，可在多重 LED 設計中實現卓越的通道對通道配對。

AL8843SP-13 整合了電源開關和高側輸出電流感測電路；依電源電壓和外部元件而定，轉換器提供的輸出功率可高達 60 W，效率高達 97%。若對一個接受直流電壓或 PWM 訊號的封裝引腳施加外部控制訊號，可實作重要的調光功能。這款熱增強型 SO-8EP 封裝裝置，還包括針對開路或短路 LED 和開路或短路電流感測電阻的保護，以及其他保護模式。

與功率較低的 LED 驅動配置一樣，用於較高功率解決方案的評估板，可以大大減少深入瞭解整個導入設計情況所需的時間，從而更有效地推進專案。對於 AL8843SP-13 降壓 LED 驅動器 (較高功率設計中難度最高的元件)，Diodes Incorporated 提供了 AL8843EV1 評估板 (圖 8)。

Diodes 的 AL8843EV1 評估板圖片圖 8：AL8843SP-13 的使用者將從基本的 AL8843EV1 評估板中獲益，此板件只著重於這款具有 PWM 調光功能的降壓穩壓器兼 3 A 類比 LED 驅動器 IC。(圖片來源：Diodes Incorporated)

AL8843EV1 評估板允許對 IC 進行基本操作，而且不會因為其他主動元件而產生互動或受到干擾。

還有「連線照明」

對現代 LED 型照明來說，其中一個值得擁有的實用增強特性，是有機會實作「智慧型連線照明」(SCL)，通常簡稱「連線照明」。其屬性繁多，其中一種允許透過連線標準，將燈具作為一個群體進行控制，也能在群體內單獨控制。

智慧型連線照明有什麼優點？從更高層級的系統角度來看 (也許甚至有猜測和誇大的成份)，連線照明基礎設施已成為全建築物連線網投資的一部分。流經此基礎設施的資料，讓建築管理員能整合核心建築系統並實現自動化、延長系統的使用壽命、降低營運成本、提高效能，並縮短停機時間。

有些分析師認為，連線照明的優點遠不只是照明。例如，Silvair 的首席技術官兼創辦人 Szymon Slupik 指出：「智慧型照明帶來的附加服務，其價值是照明控制和節能本身的七至十倍。」

智慧型連線照明燈具通常長時間處於被動「聆聽」狀態，因此待機功耗是設計人員關心的重要參數，多項法規要求中也規定了最大值。Diodes Incorporated 的控制器和穩壓器的待機電流額定值低於允許值。這些裝置還能搭配支援多種介面標準的調光控制／通訊機型，包括藍牙、Zigbee 和 Wi-Fi 標準。

有一個驅動因素將能帶動安裝連線照明，就是制定能確保不同供應商的智慧型連線照明元件彼此互通的產業標準。例如，藍牙技術聯盟 (SIG) 已與照明產業合作開發藍牙網狀網路標準，此標準針對建立適用的大型裝置網路進行了最佳化。此外，藍牙技術聯盟和 DALI Alliance 合作建立標準化介面，讓通過 D4i 認證的燈具和 DALI-2 裝置，能部署在藍牙型網狀照明控制網路中 (D4i 是具備物聯網功能之智慧型泛光燈的 DALI 標準)。透過此介面，資料可在具有大量感測器的泛光燈與照明控制項之間順暢流通，甚至流向其他建築物管理系統。

結論

智慧的 LED 型建築照明，正在改善商業大樓照明系統的能效。這也是在整體建築效能中實現長期潛在效益的關鍵因素。Diodes Incorporated 的控制器、穩壓器和 LED 驅動器 IC，著重於 LED 型建築照明並針對其進行最佳化，是成功將這些先進建築照明可能性的潛在優勢轉化為現實所需的關鍵建置區塊之一，不僅功能強大、通用，而且符合成本效益。