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后沿调光LED控制器关键技术的研发与产业化

来源:方田科技点击: 发布时间:2012-02-24 10:01

 1.立项依据

 1.1项目的目的及意义

      近几年来,随着科技的发展和物质生活水平的不断提高。家居、酒店智能化也不断被人们所推崇。作为智能化的组成部分——无线控制的智能照明更成为当今照明、装饰、装修的关注点。自从爱迪生发明电灯以来,电灯点亮了整个地球,给人类社会发展带来无穷的收益。如今电灯人们已不仅仅用于照明,而更多是用来营造温馨、浪漫、多彩、绚丽、奢华的氛围。以美国为例,智能照明在智能家居行业的比重占到了第一位,甚至超过了安防的需求。在当前这个阶段,各种无线智能灯光控制技术成为市场竞争的焦点之一。

      在全球能源供给紧张、环境保护形势严峻的客观条件下,我国明确提出节能减排的战略目标。LED照明作为继白炽灯、荧光灯之后的新一代“革命性”光源,将大大降低我国能源消耗。其产业发展及市场应用对于实现节能减排战略目标的意义十分重大。在发布的十二五规划,广东推广3000万只室内照明灯具,带动全省室内LED照明的普及率超过30%。室内照明应用示范根据规模给予30%-50%的资金补贴,引导居民自愿购买更换LED照明灯具。因此LED灯逐渐代替传统照明光源的前景是十分广阔的,有着非常巨大的市场空间。

      毋庸置疑,LED照明是未来的发展趋势,长寿命、省电及可靠性的特点让其站稳了阵脚。而LED照明的调光功能发展,亦是其能进一步取代传统照明光源的关键之一。

      LED灯具不单只有亮或暗的两种选择,而是像传统钨丝灯具般可提供调光功能,使LED灯具同时具有传统灯与LED 灯优点,促进LED照明更加普及。如今,调光控制不仅为了在家居中得到一个更舒适的环境,更是减少不必要的电光线,以进一步实现节能减排的目的。而且对于LED光源来说,调光比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现,所以在未来,在各种类型LED灯具中加上调光功能势在必行,也将成为LED灯具及相关组件供应厂家必需持续关注的课题。

      目前各大LED厂家都将主要精力集中在LED调光灯的研发上,却忽略了LED调光器的研发。目前市面上LED调光常用的调光器是可控硅调光器,这是上世纪70年代的老产品,主要应用于钨丝灯和卤素灯的调光。而且属于前沿触发,在导通的瞬间有大的冲击电流,会对电网产生干扰,需要较高的成本才能过EMC测试。另外,可控硅有维持电流的存在,应用在LED灯调光会出现频闪的现象。所以目前的前沿相控可控硅调光器并不适合LED灯的调光,因此需要研发一种全新的调光器,以解决现有可控硅调光器应用在LED灯时出现的各种问题。我司提出的后沿调光LED控制器正是为了迎合LED发展大趋势所提出的新项目,它对于推动LED替代传统照明光源有重要的意义。

 1.2国内外技术发展现状与趋势

      目前国内的市场上存在PWM、模拟及可控硅三种调光方案。LED作为一种半导体器件,采用PWM数字调光是最适合的一种调光方式,但因为数字调光产品的定位较高端、价格昂贵,难以大范围推广到普通家居应用中。另外PWM和模拟调光应用在家庭照明或者商业照明时,遇到的最大问题不是需要增加负载分压电路和提供脉冲控制信号的问题,而是这两种方法都需要控制线路。由于传统的灯具只有两个电触点,如果要加上模拟或者PWM调光功能,就需要改变灯具设计,增加控制线,因此也就无法顺畅地做到替换性改造了。

      虽然PWM调光技术前景被普遍看好,但是在目前LED照明替换市场潜力巨大的前提下,终端系统厂商多从替换灯具的可行性角度出发,更偏好可控硅调光技术。这种传统的调光方式应用在传统的钨丝灯和卤素灯时可以达到低成本高调光效果,得到非常好的表现,但是并不适合LED灯的调光。在应用时会产生灯光闪烁、调节范围不宽、调光不均匀、启动调光器适应性差和高的电磁干扰抑制成本等问题。

      如何解决这种方便替换和高效调光的矛盾呢?国外的厂家在这次LED改革浪潮中再一次走在了我们的前面,他们有少数厂家已经研发出相关的产品,并在欧美国家少量应用,得到很好的反映。而我们国内的厂家主要将目光集中在高端的数字调光上,却忽略了拥有庞大消费市场的家居调光应用。后沿相控调光由于其成本低,家居照明电路不需要重新布线等优点,更容易进入普通家居和商业场所,拥有广阔的市场前景,未来将会成为家居和商业场所调光市场主要发展趋势。

 1.3项目的产业化前景分析

      本项目具有很好的产业化前景,随着LED灯逐渐代替传统光源,与之相匹配的LED调光器也将跟随着LED灯的普及而进入到家居应用当中。

      相关研究机构预测2012年之后LED灯泡出货量将显著成长,产值预估将高达约80亿美元,以产值而言,全球LED照明市场2011年的渗透率将突破10%,2011年全球LED灯泡销售将可达6亿颗;2013年随着40W及60W传统灯泡迈入淘汰时程,预估LED灯泡市场规模可达25亿颗,LED照明产值渗透率将进一步提升至近两成。我们预计未来的可调光LED灯泡将占所有LED灯泡的八成以上,理由是LED照明产品是否具备调光功能对于产品成本的差异不大,因此未来将有更多生产厂家在产品中增加调光功能。

      业界对于可调光LED的发展前景也相当看好,这可以从最近各大LED驱动芯片厂家纷纷推出自己的可调光驱动芯片的事实中得到印证。我司2011年度截止至9月份的LED灯出货记录显示共出货10万个LED灯,其中约2.5万个为可调光LED灯,占总出货量的25%,而在一年前可调光LED灯的出货量却不到10%。由此可以看出可调光LED灯的发展趋势十分良好。可调光LED灯的迅速发展同时会带动LED调光器的需求增长,这也是本项目产业化前景的基础。

2、研究开发内容、方法、技术路线

2.1、主要研究内容

      目前可以实现LED调光的方法有很多种,但是在现阶段能够被市场普遍接受的调光方式是相控调光。相控调光的主要优点是使用、安装方便,可以在不改动原有线路的情况下安装使用。由于现有的相控调光器被设计用于钨丝灯(近似电阻负载,功率大多在20W和50W之间),因此需要一些额外的电路才能允许它们用于LED照明系统。目前市场上还没有钨丝灯调光器的标准,因此市场上有大量不同性能和参数值的市电调光器。

      目前市面上销售的可控硅调光器属于前沿相控调光。前沿相控调光由于电路实现简单所以得到了广泛的应用,通过控制可控硅的导通角来控制输出的交流电有效值,从而达到调光控制。这种传统的调光器应用在传统的钨丝灯和卤素灯时可以达到低成本高调光效果,得到非常好的表现。可控硅调光波形如图一所示。前沿相控调光由于在低调光亮度时通过可控硅的电流减小,如调光亮度很低,通过可控硅的电流低于可控硅的维持导通电流时就不能再调光,否则可控硅关断,这对低调光亮度LED调光会造成影响。

图一

       由图可见,前沿触发在导通的瞬间有很大的冲击电流,从而会导致以下的缺点:

      1.调光器有噪音

      2.LED灯有噪音

      3.需要较高的成本才能通过EMC测试

      4.可控硅有维持电流的存在,导致LED有频闪的现象。

      5.大量使用时会干扰家庭其他电器的正常工作,甚至会影响电网的供电质量。

      可控硅调光器是上世纪70年代的产品,它的优点是单价较低,主要应用于钨丝灯和卤素灯的调光,但并不适用于LED灯的调光。LED灯有着很优秀的调光性能,但需要匹配一个专用的调光器才能正常发挥它的性能。我们公司研发的调光器正是专门针对LED灯所研发的产品,它采用的是后沿相控调光,它的波形图如图二所示。后沿相控调光的电压变化较前沿相控调光平缓,因而通过电路的浪涌电流小。后沿相控调光器内有复杂的时基电路控制场效应晶体管的延迟关断;当后沿切相调光驱动低功率LED时,简单的控制方案难准确检测到下降沿。后沿相控调光的特点如下:

      1.使用IGBT/MOSFET

      2.导通时没有尖峰电流

      3.不存在维持电流

      4.降低音频噪声和电磁噪声

图二

      采用后沿触发的方式基本上就可以解决前沿调光存在的缺点。我们将这种调光方式做成通用86系列开关盒和常用照明开关箱如图三和图四所示,直接替换家中原有的86开关和照明开关箱就可以使用,不需要改动原有的线路。

                      

                              图三                                                                                                           图四

      我们计划设计的调光器是单火线输入,3路输出,其控制原理图如图五。其中2路OUT1、OUT2为驱动调光LED灯,OUT3路驱动传统灯或者不可调光LED灯。

2.2、拟解决的关键技术

1、要实现无闪烁、平滑和稳定的亮度控制

      因为相位的稳定输出对调光LED节能灯是十分重要的,否则会造成闪烁。相位检测电路的设计、CPU的选择和软件的实现都对相位的稳定输出起到关键的作用。是整个调光器的设计重点和难点。

辅助电源的获取

      因为是单火线输入,要利用切相角获得变化较大的电源脉冲。但调光LED灯存在着很大的内阻,这为获取稳定的电源制造了障碍。我们很好地利用低耗电源来解决这一问题。

2.3、拟采用的方法、技术路线、工艺流程以及分步实施计划

(一)研究方法

      1.通过购买国外同类型产品作为样机,参考他们的设计思路,分析他们的优点与缺点。

      2.查阅调光器、调压器关于用场效管实现的资料,订阅国外场效管关于灯方面的先进技术。

      3.总结所有收集到的资料,分别从生产成本、产品质量、可靠性、技术难度等多方面综合考虑,最终确定产品的设计蓝图。

      4.根据数字电子电路原理、模拟电路原理、计算机编程原理对产品进行理论研究并建立数学模型。

      5.通过大量的实验得出数学模型所需的技术参数,并修正数学模型。

      6.制作试验平台,进行基本试验。

(二)技术路线

      1.根据前期研究的结果进行电路设计。

      2.对辅助电源进行测试,考虑各种极端条件下获得稳定的电源参数。

      3.用仿真机对CPU进行软件的运行和改进。

      4.对不同品牌的调光IC电源进行兼容性测试。

      5.进行破坏性测试,如雷电,短路,过载等极限条件的测试

      6.整机组装和调试。

      7.工艺研究。

      8.改进设计

      9.送质量检测认证

 2.4、项目的特色和创新突破点

实现后沿调光

      后沿调光的实现,解决了前沿调光带来的各种缺点,对电网的干扰小,适合大规模的推广使用。

单火线输入,多路输出的设计

      能够直接安装在家庭的照明系统上,线路不需要作任何改动,适合传统家居照明的改造。

实现基本的智能化

      可以设置场景模式,无需逐一开关灯和调光,只进行一次设置,就可以一键控制一组灯,也可以个性化调节。

2.5、项目完成后预期实现的技术、经济指标及社会和经济效益,对产业的带动和提升作用

预期达到的技术指标:

      输入电压200~260V 50~60Hz

      OUT1、OUT3每路负载功率最大200W 最小3W。OUT2最大负载300W

      调相范围0~150导通角,波形对称度±6电角度

      待机状态下功耗为0.1W,满负载时最大功耗1.5W

预期经济指标

      该产品的的直接成本是基本的电子元器件和加工成本,预计销售价格为250元人民币(国外的单路同类产品约为400~500元人民币),按每年销售2万台计算,年销售额为500万元人民币,同时会带动本公司的可调光LED灯的销量约6万个,实现产值约500万元。总共实现产值1000万元,创造税收30万。另外如考虑LED市场的递增,效益将会进一步放大。

 预期社会效益

      过去高压钠灯、荧光灯、吸顶灯、节能灯等光源都不容易实现调光,所以,容易调光正是LED的一个很大的优点。因为在很多场合,并不需要开灯或者不需要那么亮,可是灯却开得很亮,这样无形中造成的巨大的浪费。LED调光器可以使人们使用电光源时可以按需调节亮度,避免不必要的浪费。在国家提倡节能减排的今天,大力推广LED调光灯和调光器将是向人们宣传养成按需使用电光源的良好习惯,对于发扬我们中华民族节约的传统美德有着很重要的意义。

 

      本信息由方田科技提供,严谨转载。

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