- 安森美半導體高能效LED通用照明解決方案介紹，包括：
LED通用照明系統面臨的要求及挑戰
通用照明電源轉換及LED驅動(dòng)示例
如何保護通用照明應用中的LED
- 采用MPPT 欺騙太陽(yáng)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
- CS51221增強型電壓模式PWM控制器，支持MPPT（最大峰值功率追蹤）
- 高亮度LED恒流降壓穩壓器NCP3066帶專(zhuān)用“啟用”引腳用于實(shí)現低待機能耗
- CAT4103針對新興的高亮度、高視覺(jué)沖擊力LED建筑物照明的RGB LED像素控制應用
- 根據輸出功率的不同，安森美有一系列不同的反激轉換器可供使用
- 在電路保護方面，安森美半導體的NUD4700 LED是一種分流保護解決方案
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(xiàn)性熒光燈、高強度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。隨著(zhù)人們綠色環(huán)保意識的提高，通用照明市場(chǎng)也成為業(yè)界致力提高能效的重要目標。
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，白熾燈的能效相對較低，標準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
相比較而言，LED擁有著(zhù)越來(lái)越高的能效，業(yè)界近期宣稱(chēng)的最強的白光LED研發(fā)能力達到了132至136 lm/W，色溫達(4,500-6,000K)。實(shí)際上，LED的低壓、小體積、定向光、固態(tài)器件、長(cháng)工作壽命等優(yōu)勢，對于通用照明特別具有吸引力。
LED通用照明系統面臨的要求及挑戰
對于LED在通用照明中的應用，需要從系統的角度來(lái)分析其要求?？偟膩?lái)看，LED通用照明系統涉及到LED光源(緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率)、電源轉換(將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉換至安全的低壓直流電源)、控制和驅動(dòng)(采用電子電路對LED進(jìn)行穩壓和控制)、熱管理(結點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱，從而實(shí)現更長(cháng)的工作壽命)及光學(xué)器件等。
要開(kāi)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的控制和驅動(dòng)，同時(shí)也會(huì )在下文的太陽(yáng)能供電街燈照明示例中結合討論高效的電源轉換問(wèn)題。
對于LED驅動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰就在于LED的非線(xiàn)性。這主要體現在LED的正向電壓會(huì )隨著(zhù)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(zhù)電流和溫度而漂移，而且LED必須在規范要求的范圍內工作從而實(shí)現可靠工作。而LED驅動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內限制電流，而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。
對于LED驅動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩流，還面臨著(zhù)其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調光，通常采用的是脈寬調制(PWM)調光技術(shù)；而用于LED調光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現。
通用照明電源轉換及LED驅動(dòng)示例
根據具體應用的不同，LED可能會(huì )采用不同的電源來(lái)供電，如交流線(xiàn)路、太陽(yáng)能板、12 V汽車(chē)電池、直流電源或低壓交流系統，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L(cháng)ED供電
許多高亮度LED應用工作在高至40 VDC范圍的電源，如活動(dòng)式照明、景觀(guān)和道路照明、汽車(chē)和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。
以太陽(yáng)能電池板供電為例，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線(xiàn)呈現非線(xiàn)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(yáng)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(lái)實(shí)現)盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢。
圖2：安森美半導體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應用示意圖[page]
最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線(xiàn)提供補償，優(yōu)化太陽(yáng)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，當我們實(shí)際上無(wú)法改變負載時(shí)，MPPT功能使太陽(yáng)能電池“認為”負載正在發(fā)生變化；通過(guò)這種方式，MPPT“欺騙”太陽(yáng)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。
安森美半導體針對太陽(yáng)能板電池充電控制應用，推出CS51221增強型電壓模式PWM控制器(見(jiàn)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，并提供可調節逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護特性。這控制器提供輔助輸入端，用于遠程傳輸和監控；能夠適應功率高至90 W的太陽(yáng)能板應用。
而在后續的LED驅動(dòng)方面，可以選用安森美半導體的NCP3066驅動(dòng)方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩壓器，帶專(zhuān)用“啟用”引腳用于實(shí)現低待機能耗，具有平均電流感測功能(電流精度與LED正向電壓無(wú)關(guān))，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測電阻。這器件不需要環(huán)路補償，易于設計。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(lái)進(jìn)行升壓。這器件支持4至30 W功率的不同應用，且提供不同MOSFET選擇。
除了太陽(yáng)能供電街道照明應用外，在針對新興的高亮度、高視覺(jué)沖擊力LED建筑物照明的RGB LED像素控制應用中，還可以采用安森美半導體的三通道線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器CAT4103。CAT4103為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應用而設計。它具有高速串行接口，能夠支持達25 MHz的數據率，提供完全緩沖的數據輸出，確保在分布式(長(cháng)距離)、菊花鏈型照明系統中維持最高的數據完整性。
CAT4103支持每通道達175 mA的寬廣范圍LED恒流驅動(dòng)，電流為60 mA時(shí)壓降電平至0.3 V ，確保在驅動(dòng)長(cháng)串LED時(shí)提供最高性能。這種驅動(dòng)器每通道支持25 V的電壓電平，能夠以超過(guò)10瓦(W)的高亮度功率電平支持RGB像素。
圖3：安森美半導體CAT4103三通道線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器應用示意圖。
2) 采用交流離線(xiàn)電源為L(cháng)ED供電
在采用交流離線(xiàn)電源為L(cháng)ED供電的應用中，涉及到眾多不同的應用場(chǎng)合，如電子鎮流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈泡、街道和停車(chē)照明、建筑物照明、障礙燈和標志等。在這些從交流主電源驅動(dòng)大功率LED的應用中，有兩種常見(jiàn)的電源轉換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓撲結構。
在反激轉換器方面，根據輸出功率的不同，可以采用安森美半導體的不同反激轉換器。例如，安森美半導體的NCP1013適合于功率高達5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設計應用，NCP1014/1028可以提供高達8 W的連續輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應用。
以NCP1014/1028為例，這是安森美半導體推出的離線(xiàn)式PWM開(kāi)關(guān)穩壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設計及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關(guān)閉保護等特性，適合于LED鎮流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業(yè)燈等應用。
圖4：原50 W鹵素臺燈、所用變壓器及改造后所用的LED及驅動(dòng)電路板。[page]
為了展現LED的替代優(yōu)勢，安森美半導體近期對一款從市場(chǎng)上所購得的50 W鹵素臺燈進(jìn)行了改進(jìn)(見(jiàn)圖4)，它改用LED燈并采用安森美半導體的NCP1014開(kāi)關(guān)穩壓器再輔以適當的散熱設計后，光輸出更高，但能耗僅為原臺燈的1/9。實(shí)際上，安森美半導體改進(jìn)的這臺燈的總能耗甚至比基于變壓器的原鹵素臺燈的電能損耗更低。
(有關(guān)這轉換設計的詳情，請參見(jiàn)安森美半導體的設計白皮書(shū)TND358，網(wǎng)址：http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND358-D.PDF)。
值得一提的是，在照明應用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅動(dòng)器則面臨著(zhù)功率因數校正(PFC)的問(wèn)題。在這類(lèi)可能需要采用PFC控制器的應用中，傳統的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認證簡(jiǎn)單，但在總體能效方面會(huì )有折衷，如假設交流-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(zhù)LED技術(shù)的持續改進(jìn)，這種架構預計將轉化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據要求的不同，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。
保護通用照明應用中的LED
如前所述，LED是一種使用壽命極長(cháng)的光源(可長(cháng)達5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動(dòng)解決方案，還需要為L(cháng)ED提供適當的保護，因為偶爾LED也會(huì )失效。其原因多種多樣，可能是因為L(cháng)ED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態(tài)現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施，特別是因為某些應用屬于關(guān)鍵應用(故障停機成本高)，或是安全攸關(guān)的應用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等)，或是在地理上難于接近的應用(維護困難)等。在這方面，可以采用安森美半導體的NUD4700 LED分流保護解決方案。圖5是這種分流保護解決方案的應用及原理示意圖。
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(kāi)路，這時(shí)NUD4700分流保護器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節省空間的小型封裝，設計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當，也支持大于1 A電流的操作。
圖5：安森美半導體NUD4700 LED開(kāi)路分流保護器的應用示意圖
總結：
LED所擁有的眾多優(yōu)勢使其在通用照明市場(chǎng)越來(lái)越受到青睞。安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應商，不論是采用離線(xiàn)交流電源或是寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源供電的LED照明應用，都能提供高能效的電源轉換控制及LED驅動(dòng)解決方案，滿(mǎn)足相關(guān)應用需求，并提供極高能效，支持節能環(huán)保的最新趨勢，受到客戶(hù)的推崇。
供稿：安森美半導體
