工业照明技术及电源控制解决方案

工业用户在选择光源时面临许多压力。法规和经济压力促使他们投资于节能照明，包括可以提供长寿命的发光二极管（LED），因此允许公司降低维护成本。

然而，照明技术的变化对于实现经济目标并不是必不可少的。用于照明灯具的智能电源为工业用户提供了广泛的选择，使他们更容易选择适合应用的光源。

高强度放电（HID）金属卤化物灯已成为工业用户中最受欢迎的选择之一，特别是在需要经济高效地覆盖大面积的地方 - 例如装载托架和高天花板仓库。整体概念类似于荧光灯的概念，因为当它们被在两个电极之间通过的电流激发时，光由离子产生。然而，与荧光光源不同，不需要磷光体将光子从紫外光谱转换成可见光光谱。离子在很窄的频率范围内释放可见光光子，使灯具有特有的颜色。

虽然概念简单，但HID灯需要仔细的功率控制以最大限度地提高能效。它们需要很高的点火初始电压 - 如果灯是冷的话，大约3到4千伏，如果灯仍然是暖的，则需要20千伏。当灯泡升温时，需要限制电流直到灯泡完全运转。

点火前，灯内弧隙呈现开路状态。但是，一旦它点燃并开始导通，灯上的电压就会急剧下降到20伏左右。电流即使不受限制，也会累积到非常高的破坏性水平。然而，随着灯的升温，电压和输出功率会增加，直到达到100 V左右的标称值。此后，所提供的电流需要保持在一个恒定的水平，在避免颜色和亮度变化的阵列。

HID灯可能遭受由管内气体中形成的驻波压力引起的声共振问题。这种共振会使管的玻璃变形甚至破裂，从而缩短灯泡的工作寿命。一个相关的问题是汞迁移。为了避免这些问题，可以使用以相当低的频率（通常低于200Hz）运行的AC电压来驱动HID灯。

所有这些因素都要求电子镇流器能够对所有这些工作点进行有效控制。用于控制HID灯的典型电路将包括降压转换器，以控制灯电流与全桥输出相结合，以提供防止声共振所需的AC输出。全桥还需要一个脉冲变压器电路来产生点火期间使用的千伏脉冲。由于所涉及的功率水平，需要许多分立元件，但开始出现复杂的控制IC，使电路更容易实现。

例如国际整流器公司生产的IRS2573D。该IC包含用于降压转换器的控制电路，全桥元件以及驱动反馈回路以控制灯电流和功率输出的电流和电压感测。该IC包含一个600 V高侧驱动器，用于降压转换器的栅极驱动，提供逐周期过流保护。

图1：使用国际整流器IRS2573DS的HID灯控制器的电路图。 （点击放大）

工业用户也在转向新技术。发光二极管（LED）为传统照明技术提供了越来越有效的替代方案，提供高寿命，并且因为核心元件小而且易于布置在不同的封装中，具有高灵活性。两者都适合工业环境，通常需要专业的照明配件来照亮工作空间和机床的关键部件。

LED是一种定向光源，当安装在灯具中时可以比其他技术（例如荧光灯或HID）具有更高的效率，这些技术在所有方向发光，要求反射器恢复一些光并将其引向感兴趣的领域。

LED可以构建高度冗余的照明阵列，即使单个元件出现故障也能确保良好的照明。它们还支持将光照水平控制到精细粒度级别的能力，如果区域未被占用，则可以减少能量使用。例如，在街道照明应用中，当交通处于低水平时可以减少照明，然后当紧急服务通过时最大化。计算机网络提供对各个灯具的必要控制。与不在峰值输出下运行时失去效率的技术相比，这可以提供显着的节能效果。

LED可以运行50，000小时，而金属卤化物运行大约15，000小时;工业级荧光灯20，000小时;或高压钠灯24，000小时。这种更长的寿命使得LED照明适用于更换灯的劳动力成本高的工业照明应用。

与荧光灯相比，LED的性能在较低温度下得到改善，荧光灯在较低温度下会降低。因此，用于寒冷气候的制冷单元或外部照明可以充分利用LED照明。但是，为了实现高寿命和高效率的承诺，需要仔细设计和控制。主要问题是闪烁，寿命，热量管理和效率，以及紧凑性，使LED可以轻松地改装到现有的灯具和配件。

高效电源转换在高亮度工业应用中至关重要，因为过多的热量会降低LED的效率。高功率LED需要智能控制，以避免热失控问题，在这种情况下，为了保持恒定的功率输出而最终损坏受影响的LED本身，需要增加功率。

还需要实施功率因数校正。功率因数很重要，因为低功率因数增加了配电网络中的损耗。世界各地的监管机构正在强制执行其功率因数规范。能源之星版本1.0 2007年9月9日固态照明灯具要求住宅应用的功率因数大于0.7，但商业和工业装置的功率因数大于0.9。

对于可调光街道照明等先进的高功率应用，意法半导体开发了一个包含两个关键阶段的参考电路。第一种是前端功率因数校正装置，L6562AT，第二种是谐振功率转换器，L6599AT。

许多开发用于照明的电源转换器采用降压拓扑结构。然而，ST决定采用在连续导通模式下工作的反向降压架构，以便电源开关可以连接到地而不是高端。这允许电源开关由微控制器直接驱动，使用脉冲宽度调制（PWM）更容易控制调光。该设计可以独立驱动多达16个输出通道，从低功率到高功率。

寿命损失的主要来源是电解电容器，它通常用于在功率因数校正和功率转换级之间提供平滑。高亮度LED安装产生的高热量会使这些电容器相对较快地干燥，导致它们在LED或电源转换电路之前很久就会发生故障。 Power Integrations设计了LinkSwitch-PH和LinkSwitch-PL系列LED驱动器，通过转向单级架构来消除这些电容器。该公司还设计了其产品，以避免使用输出电容器。

图2：使用Power Integrations LinkSwitch-PH器件的可调光LED控制器的电路示例。 （点击放大）恩智浦半导体的SSL4101将功率因数控制器和反激式控制器集成在一个封装中，可以从低至70 V和高达305 V的任何交流电源驱动。为了实现灵活性，两个功率级均可以准确运行 - 谐振或不连续导通模式，开关独立工作。为了在需要低功率水平时减少损耗，功率因数校正将暂停操作，并且转换器也将限制其工作频率以减少开关损耗的影响。

在室外应用中，许多LED将用于多个串，以最大化光输出并提供冗余。美国国家半导体LM3466为这些串提供专用控制。无论连接到电源的串数或每个LED串的正向电压如何，该器件均以每个有源LED串的预设比率均衡电源提供的电流。如果在运行期间任何LED灯串打开，LM3466会自动均衡通过所有剩余有效LED灯串的电源电流。结果，即使在操作期间一些LED串打开，照明系统的整体亮度也得以保持。

LM3466集成了70 V功率MOSFET，电流限制为2 A.要为系统增加一个LED串，只需要一个电阻，一个电容和一个LM3466。监控功能还包括欠压锁定，故障报告，热闩锁和热关断保护。 LM3466包含纯线性电路，因此应用电路的EMI不会降低。

LED的优势之一在于它们的可调节性，但这是近年来已经提供给另一种节能照明技术的功能：荧光灯。荧光灯需要镇流器进行控制，因为随着管中的氩气被激发，它会电离，从而增加导电性。传统镇流器内部的电感器用于在较窄的电压和频率范围内限制该电流。使用变频逆变器的电子控制可以调节电感器的行为，并在更宽的频率范围内提供控制，从而提供控制灯泡输出的能力。

电子镇流器还可以提供功率因数校正，以符合能效法规以及网络设备的故障报告。

Atmel已经制作了一个参考设计套件，用于演示电子控制如何在工业环境中使荧光灯受益。例如，Atmel ATAVRFBKIT将公司的AVR微控制器与IXYS的功率半导体相结合，提供可调光镇流器，可以使用90至265 V的任何交流电压和90至370 V DC的直流电源。该装置将驱动两个T8灯，并具有多种节能选项。

除了提供调光支持的L6574外，意法半导体还拥有L6585DE镇流器控制器组合IC，它集成了功率因数校正和自动检测老式和故障T8灯管。

当旧灯连接到镇流器时，点燃灯所需的触发电压将高于标称电压，甚至可能高于安全阈值。点火期间，由于频率会降低，镇流器输出端的电压很容易达到危险值。类似地，如果灯管损坏，则灯不能点燃并且必须限制灯电压。

如果电压达到临界水平，L6585DE将从流入灯的电源中吸收电流，从而增加频率并限制电流和电压。该IC还支持旧灯具有的几种现象，例如整流效果，并对其进行校正。

通过开发一系列控制IC和功率半导体，供应商为工业用户提供了广泛的照明选择，因为他们希望降低能源成本并提高可靠性。