為不同功率LED通用照明應用選擇適合的LED驅動電源方案
近年來，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)市場快速發(fā)展。LED光效不斷增高，平均每流明光輸出的成本也持續(xù)下降，使其應用范圍不斷拓寬，除了已經(jīng)在屏幕尺寸小于4英寸的便攜設備背光及體育場館大型顯示屏等應用中占據(jù)主導地位，更向汽車、中大尺寸液晶顯示器(LCD)背光及通用照明等市場滲透，發(fā)展前景非?？捎^。
以電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內(nèi)照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等通用照明市場為例，據(jù)估計，當前LED照明(或稱固態(tài)照明，英文簡稱SSL)的應用比例低于1%，2008年LED驅動器及相關分立器件的市場規(guī)模(SAM)僅為約6.88億美元，預計到2012年市場規(guī)模將增長至13.08億美元，年復合增長率高達17.4%。因此，LED通用照明成為熱點市場。
本文旨在探討LED通用照明市場不同功率范圍及不同電源供電應用的要求，以及適用的LED驅動器及相關元器件，幫助照明設計工程師盡擇適合的元器件方案，加快上市進程。
不同功率AC-DC供電LED通用照明應用要求及方案
不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應用所適合的電源拓撲結構各不相同。如在功率低于80 W的應用中，反激拓撲結構是標準選擇；而在講究高能效的應用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導體提供覆蓋寬廣功率范圍的AC-DC LED照明方案，表1列舉了幾種典型的安森美半導體AC-DC LED照明方案。
從應用的功率等級來看，AC-DC供電的LED通用照明應用包括低功率、中等功率和大功率等不同類型。低功率應用的功率范圍通常在1到12 W之間，中等功率涵蓋8到40 W范圍，大功率應用的功率常高于40 W。
1) 1 W至8 W LED通用照明應用要求及方案
在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面，典型應用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應用的輸入電壓范圍在交流90至264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA兩種，能效要求為80%，并要求提供短路保護和過壓保護等保護特性。
在這類應用中，可以采用安森美半導體的NCP1015自供電單片開關控制IC。這器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V的高壓MOSFET，提供構建強固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點及動態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。
值得一提的是，NCP1015在1 W到8 W LED照明應用中，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，滿足客戶的不同應用需求。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實現(xiàn)電氣隔離，方案中包含簡單的反饋電路和用于負載開路及故障保護的鉗位電路，安全性高，更適合于需求通過安規(guī)認證的應用。非隔離型方案采用抽頭電感來隔離交流信號，能提高MOSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能。
圖1：基于安森美半導體NCP1015的1至8 W隔離型(a)及非隔離型(b) LED照明方案。
上述基于NCP1015的隔離型及非隔離型方案均不含PFC，但安森美半導體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，為客戶提供更多選擇。
2) 8 W至25 W LED通用照明應用要求及方案：無PFC與有PFC
在8 W-25 W AC-DC LED照明應用中，我們要考慮兩種情況。一種是應用不要求功率因數(shù)校正(PFC)。另一方面，美國能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定任何功率等級皆須強制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應用中則須大于0.9。但這標準屬于自愿性標準，即可選擇不遵從或遵從。因此，要考慮的另一種情況是要求PFC。
不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應用如PAR30、PAR38和嵌燈。在這類應用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入)，能效要求大于80%，提供短路保護及開路保護等保護特性，恒流輸出電流為350 mA、700 mA及1 A等不同電流。相應地，可以采用安森美半導體的NCP1028或NCP1351，見圖2。
圖2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(無PFC)[!--empirenews.page--]
其中，NCP1028是一款增強型單片開關控制IC，提供800 mA峰值電流，還提供過功率保護、內(nèi)置斜坡補償及輸入欠壓保護等特性，適用于在通用寬電源輸入的應用中提供幾瓦至15 W的輸出功率。除了基于NCP1028的無PFC方案，安森美半導體現(xiàn)也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導通時間、可變關閉時間脈寬調制(PWM)控制器，適用于成本至關重要的低功率離線反激開關電源應用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動、負電流感測及擴展的電源電壓范圍等特性。
在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。這類應用的輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac，能效要求80%，支持350 mA、700 mA及1 A恒流輸出，提供短路及過壓保護，功率因數(shù)要求高于0.9。這類應用適合采用安森美半導體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅動器。單段式拓撲結構省下專用PFC升壓段，減少元器件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數(shù)，滿足IEC C類諧波含量要求。這器件能夠直接驅動LED，帶精確恒流輸出控制，在5至15 W的較低輸出功率時能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現(xiàn)有調光方案。
圖3：基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)
3) 50 W至200 W LED通用照明應用要求及方案
功率高于50 W的AC-DC LED應用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明，可以采用不同的LED方案，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范圍。假定其輸入電壓規(guī)格為90--264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護，及350 mA、700 mA和1 A的恒流輸出。此類應用可以采用下述不同方案，適應不同需求：
NCL30001：單段式PFC LED驅動器；
NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM；
NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。
圖4：基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案。
以NCL30001為例，這是一款電流連續(xù)模式(CCM)控制器，用于40 W到150 W功率范圍的單段式功率因數(shù)校正LED驅動器。這器件支持20到250 kHz的可調節(jié)開關頻率，支持頻率抖動和電壓前饋，包含輸入欠壓和過載定時器，提供高能效和高功率因數(shù)及強固的保護特性，圖4是NCL30001的典型應用電路圖。
值得一提的是，近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃，期望在相對較低的功率電平(<50 W)提供高于90%的能效，這個能效目標甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過49 W時能效高于87%)更高。要達到這樣高的能效，需要采用新的拓撲結構，如從反激拓撲結構轉向諧振半橋拓撲結構，從而充分發(fā)揮零電壓開關(ZVS)的優(yōu)勢。有利的是，安森美半導體早已著手開發(fā)能用于LED驅動電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397內(nèi)置高端和低端驅動器，支持可調節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護特性。
不同功率DC-DC供電LED通用照明應用要求及方案
對于直流-直流(DC-DC)供電的LED照明應用而言，同樣可以根據(jù)不同功率范圍來展開討論。
4) 1 W-3 W DC-DC LED降壓應用
典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應用包括MR11/MR16、汽車照明、太陽能供電等。這類應用的輸入電壓為5到28 Vdc，支持350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達500 kHz至2 MHz，能效不低于90%，工作溫度范圍為-40℃至125℃。在這類應用中，可以采用安森美半導體的CAT4201降壓LED驅動器。這器件擁有專利的開關控制架構，可驅動7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時)，能效高達94%，并提供LED開路保護、限流和過熱保護等保護特性。
圖5：CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案。
5) 1 W-30 W DC-DC LED降壓應用
典型1 W-30W DC-DC LED降壓應用包括MR16射燈、街道照明中的次級端DC-DC LED驅動器。這類應用中，輸入電壓范圍為7 至120 Vdc，輸出電壓范圍為6至110 Vdc，支持350 mA、700 mA或1 A恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用安森美半導體的NCL30100降壓LED驅動器，這器件外置開關MOSFET，提供靈活的輸入電壓和輸出電流設計，能效高于95%，其應用電路圖參見圖6(a)。
圖6：基于NCL30010的1-30 W LED降壓應用和基于NCP3066的3-20 W LED升壓應用。[!--empirenews.page--]
6) 1 W-20 W DC-DC LED升壓應用
典型3 W-20 W DC-DC LED升壓應用常見于DC-DC LED驅動器。這類應用的輸入電壓為5至28 Vdc，支持350 mA或700 mA恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用安森美半導體的NCP3065/NCP3066 LED驅動器。NCP3065/NCP3066能夠配置為降壓、升壓、單端初級電感轉換器(SEPIC)和逆變器等不同模式，并提供相應的汽車應用版本，即NCV3065/NCV3066。圖6(b)顯示的是NCP3066的升壓配置LED應用電路圖。
7) 1 W-3 W手電筒LED升壓/降壓應用
1 W-3 W手電筒LED應用中既有升壓型，也有降壓型。升壓型應用的輸入電壓范圍為1至2.5 Vdc，工作頻率達1.2 MHz；降壓型應用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc，頻率達1.7 MHz。兩類應用都需支持350 mA或600 mA恒流輸出，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應用可采用安森美半導體的NCP1421升壓DC-DC轉換器，同等功率范圍的手電筒降壓LED應用可以采用安森美半導體的NCP1529低壓降壓轉換器，應用電路圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。
圖7：基于NCP1421的升壓型和基于NCP1529的降壓型1-3 W手電筒LED應用。
特別適合低電流LED照明應用的線性恒流穩(wěn)流器
前文根據(jù)不同的供電類型，探討了不同功率范圍LED應用的要求及適合采用的驅動電源方案。但縱觀不同的LED照明應用，可以發(fā)現(xiàn)有一類應用側重于低電流應用，典型應用如商業(yè)和工業(yè)標識牌、汽車停車燈和尾燈，以及建筑物和裝飾照明等。這類低電流LED應用常見的驅動方案包括低壓降線性穩(wěn)壓器和電阻等。這兩種驅動方案各有其優(yōu)劣勢。
有利的是，安森美半導體利用正申請專利的自偏置晶體管(SBT)技術，結合自身超強的工藝控制能力，推出一種新的低電流LED驅動方案——NSI45系列雙端和三端線性恒流穩(wěn)流器(CCR)。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補了市場空隙。NSI45系列提供眾多優(yōu)勢，如在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時保護LED免受過驅動影響，輸入電壓較低時仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系統(tǒng)總成本等，非常適合低電流LED電流應用。
LED照明應用中的其它產(chǎn)品及方案
眾所周知，LED照明系統(tǒng)較為復雜，涉及光學、電和熱等不同范疇。安森美半導體身為應用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商，提供完整的LED照明解決方案，除了驅動電源外，還包括通信、光傳感器、MOSFET、整流器、保護、濾波器和熱管理產(chǎn)品，參見圖8。
例如， LED環(huán)境光及街燈強度控制、LED背光強度控制和顯示屏白平衡控制等應用需要能耗極低的環(huán)境光傳感器，并要求光傳感器支持精確的低光等級工作，特別是在存在濾光的情況下。在這類應用中，安森美半導體提供包括光傳感器、LED驅動器及高速I2C接口的光電產(chǎn)品組合，其中的光傳感器產(chǎn)品包括NOA1211(模擬輸出)、NOA1302(數(shù)字輸出)和NOA1305(數(shù)字輸出)等。這些光傳感器的工作電流極低，在100流明光輸出條件下分別僅為58 μA、550 μA和115 μA。
此外，LED街燈等應用為了降低后期維護成本，可在應用中增加保護器件，如采用安森美半導體的NUD4700，在發(fā)生LED開路故障條件時提供旁路電流，保證其它LED正常工作，且恰當處理散熱的話，還可支持大于1 A電流。另外，在智能電網(wǎng)趨勢下，工程師還可以在LED聯(lián)網(wǎng)街燈應用中采用安森美半導體的AMIS-30585和AMIS-49587電力線載波(PLC)調制解調器及NCS5650 PLC線路驅動器等產(chǎn)品。除此之外，安森美半導體的BC858CDXV6T1G雙極結晶體管(BJT)也可用于在LED照明應用的低能耗恒流感測。
圖8：安森美半導體能為LED照明應用提供完成光電組合產(chǎn)品解決方案。
總結：
隨著高性價比、超高亮度LED的出現(xiàn)，固態(tài)照明近年來快速發(fā)展。相應地，照明設計工程師需要根據(jù)供電電源、燈具、功率范圍和LED配置等情況，選擇不同的LED驅動電源解決方案。安森美半導體從系統(tǒng)角度出發(fā)，提供考慮電、熱和光等多種因素的高可靠性產(chǎn)品，包括豐富的AC-DC和DC-DC供電高能效LED驅動解決方案，以及光傳感器、濾波、保護及聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品，為客戶提供完整的LED照明解決方案。
安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，提供涵蓋1 至數(shù)百瓦功率范圍的LED照明驅動及PFC解決方案，而無論LED照明應用采用何種的是AC-DC電源、DC-DC電源或是LED手電筒所采用的電池，并滿足客戶對低成本、高性價比、高能效或是選擇是否增加PFC的不同要求。
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