高能效LED通用照明解決方案

通用照明市場(chǎng)常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。隨著人們綠色環(huán)保意識(shí)的提高，通用照明市場(chǎng)也成為業(yè)界致力提高能效的重要目標(biāo)。

就能效(總輸出流明與輸入功率比，lm/W)而言，不同的通用照明光源中，白熾燈的能效相對(duì)較低，標(biāo)準(zhǔn)60 W白熾燈能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)，而CFL的典型能效達(dá)55至60 lm/W(由于光損耗，55 lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間)。其它的光源，如金屬鹵素HID燈能效約在80 lm/W，但在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。

圖1：通用照明光源的發(fā)展趨勢(shì)

相比較而言，LED擁有著越來越高的能效，業(yè)界近期宣稱的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W，色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上，LED的低壓、小體積、定向光、固態(tài)器件、長工作壽命等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于通用照明特別具有吸引力。

LED通用照明系統(tǒng)面臨的要求及挑戰(zhàn)

對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來分析其要求?？偟膩砜矗琇ED通用照明系統(tǒng)涉及到LED光源(緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率)、電源轉(zhuǎn)換(將交流墻式插座、電池、太陽能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源)、控制和驅(qū)動(dòng)(采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制)、熱管理(結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱，從而實(shí)現(xiàn)更長的工作壽命)及光學(xué)器件等。

要開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案，這幾方面的要求都非常重要。其中，本文主要討論LED的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)在下文的太陽能供電街燈照明示例中結(jié)合討論高效的電源轉(zhuǎn)換問題。

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無論輸入條件和正向電壓如何變化。

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光技術(shù);而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。

通用照明電源轉(zhuǎn)換及LED驅(qū)動(dòng)示例

根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

1) 采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電

許多高亮度LED應(yīng)用工作在高至40 VDC范圍的電源，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。

以太陽能電池板供電為例，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中析取最大量的電能非常困難。這需要太陽能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來實(shí)現(xiàn))盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。

圖2：安森美半導(dǎo)體CS51221控制器的太陽能板充電控制應(yīng)用示意圖

最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。具體而言，當(dāng)我們實(shí)際上無法改變負(fù)載時(shí)，MPPT功能使太陽能電池“認(rèn)為”負(fù)載正在發(fā)生變化;通過這種方式，MPPT“欺騙”太陽能板輸出不同電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電池。

安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽能板電池充電控制應(yīng)用，推出CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器(見圖2)，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V，輸出為12 V@2 A，并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過壓鎖定等保護(hù)特性。這控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控;能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽能板應(yīng)用。

而在后續(xù)的LED驅(qū)動(dòng)方面，可以選用安森美半導(dǎo)體的NCP3066驅(qū)動(dòng)方案。。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩(wěn)壓器，帶專用“啟用”引腳用于實(shí)現(xiàn)低待機(jī)能耗，具有平均電流感測(cè)功能(電流精度與LED正向電壓無關(guān))，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測(cè)電阻。這器件不需要環(huán)路補(bǔ)償，易于設(shè)計(jì)。需要指出的是，NCP3066也可用作控制器，如可采用100 V外部N溝道FET來進(jìn)行升壓。這器件支持4至30 W功率的不同應(yīng)用，且提供不同MOSFET選擇。

除了太陽能供電街道照明應(yīng)用外，在針對(duì)新興的高亮度、高視覺沖擊力LED建筑物照明的RGB LED像素控制應(yīng)用中，還可以采用安森美半導(dǎo)體的三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器CAT4103。CAT4103為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有高速串行接口，能夠支持達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式(長距離)、菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。

CAT4103支持每通道達(dá)175 mA的寬廣范圍LED恒流驅(qū)動(dòng)，電流為60 mA時(shí)壓降電平至0.3 V ，確保在驅(qū)動(dòng)長串LED時(shí)提供最高性能。這種驅(qū)動(dòng)器每通道支持25 V的電壓電平，能夠以超過10瓦(W)的高亮度功率電平支持RGB像素。

圖3：安森美半導(dǎo)體CAT4103三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用示意圖

2) 采用交流離線電源為LED供電

在采用交流離線電源為LED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。

以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。

圖4：原50 W鹵素臺(tái)燈、所用變壓器及改造后所用的LED及驅(qū)動(dòng)電路板

為了展現(xiàn)LED的替代優(yōu)勢(shì)，安森美半導(dǎo)體近期對(duì)一款從市場(chǎng)上所購得的50 W鹵素臺(tái)燈進(jìn)行了改進(jìn)(見圖4)，它改用LED燈并采用安森美半導(dǎo)體的NCP1014開關(guān)穩(wěn)壓器再輔以適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計(jì)后，光輸出更高，但能耗僅為原臺(tái)燈的1/9。實(shí)際上，安森美半導(dǎo)體改進(jìn)的這臺(tái)燈的總能耗甚至比基于變壓器的原鹵素臺(tái)燈的電能損耗更低(有關(guān)這轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的詳情，請(qǐng)參見安森美半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)白皮書TND358，網(wǎng)址：http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND358-D.PDF)。

值得一提的是，在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動(dòng)器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問題。在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡單，但在總體能效方面會(huì)有折衷，如假設(shè)交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，這種架構(gòu)預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。

保護(hù)通用照明應(yīng)用中的LED

如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源(可長達(dá)5萬小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為LED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。圖5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。

在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。

圖5：安森美半導(dǎo)體NUD4700 LED開路分流保護(hù)器的應(yīng)用示意圖

總結(jié)：

LED所擁有的眾多優(yōu)勢(shì)使其在通用照明市場(chǎng)越來越受到青睞。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，不論是采用離線交流電源或是寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源供電的LED照明應(yīng)用，都能提供高能效的電源轉(zhuǎn)換控制及LED驅(qū)動(dòng)解決方案，滿足相關(guān)應(yīng)用需求，并提供極高能效，支持節(jié)能環(huán)保的最新趨勢(shì)，受到客戶的推崇。