照明(lighting)對我們而言極其重要。美國能源資訊署(US Energy Information Administration;EIA)的一項評估證實了這一點:我們用於家居照明的耗電量1,290億千瓦小時(kWh),佔總耗電量的9%,相當於用來洗滌和烘乾衣物、使用電腦,以及做飯時的耗電量總和。

然而,大部份的能源都被浪費了。眾所皆知,白熾燈泡的能效非常低,只有大約5%的輸出可以轉換成光能,其餘則轉換成熱能。而發光二極體(LED)照明技術有接近50%的能效,透過使用此項技術的更高效率解決方案,預計至2030年,照明耗電量有望減少約40%。

智慧LED照明是降低能耗的一種方式,並將照明供應和配置緊密地與辦公室,工廠和公共建築中的中高功率應用的實際需求相配合。

LED價格的下跌是激發其採用率的關鍵。同時,由於社會已經普遍認知到傳統照明一直以來的低效率和浪費所帶來的環境影響,因此政府對照明待機功率和效率的規定也日益嚴格。

與白熾燈照明相比,LED照明在使用較低功率和將輸出轉換成光能而非熱能方面帶來的根本上的改善。然而,目前極其重要的是將固態照明技術與創新的驅動解決方案相結合,以符合法規的要求並提供有效的電源管理和調光等功能。

LED照明市場

建築業的發展是推動LED照明發展的重要驅動力,根據 Research and Markets公司的研究顯示,建築業構成了LED照明市場的主要部份。「整修」(retrofit)同樣也是一個重要的驅動力,事實上,該研究公司認為直至2023年,整修將成為LED照明市場中成長最快的部份。

室內照明(包括住宅、工廠、公共建築和辦公室)是LED照明市場中收入最高的部份。但戶外照明將成為成長最快的,其中最大的驅動力是道路照明的改善,因為地方政府試圖同時提高能見度以及控制成本。

global LED lighting 圖1:LED照明正在全球範圍內快速成長

據TrendForce(隸屬於LEDinside)預估,2017年LED照明市場價值達到331億美元,LED照明的滲透率達到52%。根據LEDinside的資料,LED照明在歐洲整體照明市場的佔有率為23%,在全球所有地區中居首位。美國和中國分別為第二、三位。亞太地區或許會因為大量的基礎設施項目有望成為成長最快的地區。

節能照明的智慧解決方案

與只能連接市電(mains)電源的白熾燈泡不同,LED是低電壓設備,需要能夠提供恒定電壓(constant voltage;CV)或恒定電流(constant current;CC)的電源。這些電源對照明解決方案的整體效率具有實質性的影響,因此與LED本身一樣需要接受嚴格的檢驗,尤其是在備用電源方面。

LED的很大一部份市場在於改良(或取代)傳統照明,同時LED的多功能性和相對較小的尺寸使它們能夠用於無法實施白熾燈解決方案的地方。但是,想在這些狹小、緊湊的空間中安裝LED及相關電源,需要高效且小巧的電源設計。

LED面臨的一個挑戰是在完整的亮度範圍內提供調光功能,同時確保良好的光線品質。許多解決方案引發的閃爍(flicker)可能會造成一些問題,尤其在使用相機進行感測的環境中,例如工廠以及即將上路的車載系統。

不僅設計人員面臨提供高能效、廣泛可調整、小巧、無閃爍照明解決方案的挑戰,消費者和安裝人員也期望看到電源價格會如同LED價格一樣下跌。

25-100W是LED照明解決方案最常見的功率之一。對此,常見的方法是使用兩級轉換,借助功率因數校正(PFC)層級來初步降低並調節電源電壓,該功率因數校正層級向微控制器(MCU)提供恒定電壓和控制訊號(包括調光控制)。第二級將經調節的電壓轉換成為提供LED的電流,同時考慮來自MCU的任何調光要求。

two-stage conversion lighting 圖2:兩級轉換是中等功率照明解決方案中最常用的方法

但是,為滿足現代LED照明這些相對複雜的需求,需要創新的半導體控制解決方案。安森美半導體(ON Semiconductor)利用其在開發節能電源解決方案領域的知識,推出兩個IC產品,使節能照明解決方案向前邁進一大步,並滿足現今競爭激烈的市場需求。

FL7740(初級側調整和PFC)和FL7760(DC-DC降壓)透過受限的BOM,提供簡化的拓撲,並縮減尺寸和成本。兩者一同使用時,可提供準確的CV/CC調整,並支援類比和脈衝寬度調變(PWM)調光。

OnSemi FL7740 & FL7760 圖3:FL7740和FL7760是針對現代LED照明的完全可調光解決方案

FL7740幾乎無需外部元件,且待機模式下的功耗低於0.15W,這是智慧照明的關鍵規格,能夠輕鬆滿足能源之星(Energy Star)等法規的要求。

FL7760提供5%至100%的寬類比調光範圍,這也使類比調光技術首次成為固態照明設計師可實行的選項。它也支援從0到100%的PWM調光,只是固有的閃爍(flicker)和聲頻雜訊問題導致效果不太理想。然而,FL7760能夠將類比和PWM調光完美結合,以涵蓋0~100%範圍,而沒有閃爍和聲頻雜訊,可視為巨大的進步。

借助先進的半導體技術,使得基於LED的智慧照明不僅實際可行,而且容易實現、效率更高、體積更小、成本更低。同時擁有改善工作和生活環境並節省數百億千瓦時(kWh)電量的潛力,而此一潛力將在不久後的未來成真。