通用照明市場(chǎng)中的高亮度LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)暨安森美半導(dǎo)體解決方案

近年來，隨著綠色環(huán)保團(tuán)體不斷擴(kuò)大節(jié)能環(huán)保界線，各個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)組織不斷發(fā)布新的能效標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，終端產(chǎn)品不斷向更高集成度和更小尺寸的方向發(fā)展，降低能源消耗、提高能源使用效率已經(jīng)成為全球眾多國(guó)家的政府、行業(yè)組織、半導(dǎo)體公司、電子產(chǎn)品制造商及消費(fèi)者所共同關(guān)注的一項(xiàng)焦點(diǎn)。

如果我們審視各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的電能消耗，根據(jù)預(yù)計(jì)，全球大約有19%的電能是用于照明。這部分的電能消耗比例相當(dāng)可觀，有鑒于此，業(yè)界不斷致力于尋求面向通用照明市場(chǎng)的更加節(jié)能高效的照明解決方案。

通用照明市場(chǎng)的不同光源對(duì)比

從具體應(yīng)用來看，通用照明市場(chǎng)涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛，包括建筑物照明、標(biāo)志、景觀照明、零售、信號(hào)燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場(chǎng)，目前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。

如果我們基于能效基準(zhǔn)對(duì)不同光源進(jìn)行比較，那么用于衡量照明的一個(gè)重要指標(biāo)便是總輸出流明與輸入功率比，以每瓦流明數(shù)(lm/W)來衡量，稱作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中，白熾燈的能效相對(duì)較低。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的60 W白熾燈而言，其能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對(duì)而言，CFL的能效要高得多，典型能效達(dá)55至60 lm/W。不過，CFL屬于全方向照射，安裝在燈具中時(shí)，光會(huì)被直射、反向或遮蔽，從而帶來光損耗，使得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HID也擁有著比白熾燈更高的能效，1款100 W金屬鹵素HID燈 大約可以產(chǎn)生8,000流明的 輸出，即能效在80 lm/W；不過，象CFL一樣，HID的光輸出是全方向，在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。

圖1：不同光源的能效發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比。

相比較而言，LED是一種新興的光源技術(shù)。最常見的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)黃光)的藍(lán)色LED。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，近年來，業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對(duì)于通用照明而言，LED擁有眾多具有吸引力的特性。例如，它本質(zhì)上是一種低壓器件，它們體積小巧，產(chǎn)生定向光，能夠產(chǎn)生多種色彩以及白光。它們產(chǎn)生紅外(IR)或紫外(UV)輻射，而且由于它們是固態(tài)器件，它們?cè)跈C(jī)械上很強(qiáng)固并且不含汞，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和使用時(shí)能夠具有超過5萬(wàn)小時(shí)的工作壽命周期。與壽命為1千小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈相比，LED的壽命就要長(zhǎng)得多。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、可能的用量有限、擁有很多極端應(yīng)用環(huán)境的照明應(yīng)用而言，或者是在地理上難于接近或故障停機(jī)成本高昂的應(yīng)用中，LED的這些特性就特別具有吸引力。這樣一來，高亮度LED已經(jīng)在多種應(yīng)用中開始替代白熾燈；其中白天可見的應(yīng)用包括汽車中央停車警告燈和交通信號(hào)燈。

LED通用照明要求及LED驅(qū)動(dòng)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。總的來看，LED固態(tài)照明系統(tǒng)涉及以下要求：

LED光源：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(yáng)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：為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命，結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱
光學(xué)器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或?qū)Ч獠牧?/P>

在開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案時(shí)，這幾方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驅(qū)動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。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(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。圖2顯示的是LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。

圖2：LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意

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，則需要提供脈寬調(diào)制(PWM)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)。值得一提的是，由于LED在最適宜電流時(shí)始終處于"導(dǎo)通"狀態(tài)，所以其色彩不會(huì)漂移。

由于系統(tǒng)中需要使用的LED數(shù)量常常不止一個(gè)，這就涉及到對(duì)LED進(jìn)行配置的問題。一般而言，強(qiáng)烈建議驅(qū)動(dòng)單串LED，因?yàn)檫@樣能夠提供最佳的電流匹配，而與正向電壓變化或輸出電壓"漂移"無(wú)關(guān)。當(dāng)然，用戶也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來配置LED。如果采用并聯(lián)配置，電路就需要"匹配的"LED正向電壓；如果某個(gè)LED失效開路，其它LED可能會(huì)被過驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地，采用多路并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接技術(shù)，可用于嘗試減輕發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例

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(yáng)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)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED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(jiǎn)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。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖如下面的圖3所示。值得一提的是，這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能，會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計(jì)中，電流和開路電壓能夠通過簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來調(diào)整。值得一提的是，如果針對(duì)230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。

圖3：安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖

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。例如，歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明(功率大于25 W)的要求中具有針對(duì)總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國(guó)，能源部"能源之星"項(xiàng)目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PFC帶有強(qiáng)制性要求(而無(wú)論是何種功率等級(jí))，即針對(duì)住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對(duì)商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn)，并非強(qiáng)制性要求，但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如，公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)將推動(dòng)LED的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用在公用設(shè)施級(jí)別的LED可望擁有較高功率因數(shù)；而且公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí)，LED是否具有較高功率因數(shù)(通常大于0.95)取決于公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)的意愿，如果他們?cè)敢?，則相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足這方面的要求。

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(jiǎn)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。

圖4：需要PFC的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中不同架構(gòu)對(duì)比

另一方面，如上所述，在不需要隔離的應(yīng)用中，可以采用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來實(shí)現(xiàn)這種解決方案。這種架構(gòu)采用的是峰值電流控制(PCC)模式，工作在深度連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。這種架構(gòu)具有多種優(yōu)勢(shì)，如可以消除使用大電解輸出電容、具有"良好"穩(wěn)流的簡(jiǎn)單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來直接從交流線路為驅(qū)動(dòng)器供電。

圖5顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1216 PWM電流模式控制器的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖。
它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從交流主電源直接為控制器供電，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。這設(shè)計(jì)適合120 Vac條件，若要用于230 Vac條件，則需要變更少許元件，如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設(shè)計(jì)，所以存在高壓。而且這是一項(xiàng)浮動(dòng)設(shè)計(jì)，IC和LED并非對(duì)地參考。在對(duì)器件進(jìn)行供電之前，LED必須連接至電路板。

圖5：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

對(duì)于這類降壓控制方式而言，當(dāng)控制的LED數(shù)量減少時(shí)，它的一項(xiàng)局限就會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)檫@時(shí)占空比會(huì)變得極窄。而且開關(guān)控制器在電流被感測(cè)到之前會(huì)有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開關(guān)頻率來適應(yīng)正常操作，并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構(gòu)能夠通過元件修改來輕易擴(kuò)展，從而也能驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的LED串。

2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電
有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、
12-36 VDC適配器、太陽(yáng)能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。

表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應(yīng)用

即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動(dòng)LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。

圖6：安森美半導(dǎo)體NCP3065在LED恒流降壓控制應(yīng)用中的示意圖

半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。

為L(zhǎng)ED提供保護(hù)
如前所述，LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)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L(zhǎng)ED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(zhǎng)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7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。

總結(jié)：
相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長(zhǎng)、指向性好等眾多優(yōu)勢(shì)，越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場(chǎng)。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動(dòng)、散熱和光學(xué)等。本文以LED驅(qū)動(dòng)為重點(diǎn)，分析了通用照明市場(chǎng)中LED驅(qū)動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合安森美半導(dǎo)體的高性能LED驅(qū)動(dòng)解決方案，探討了不同的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例，如通過交流隔離電源為L(zhǎng)ED供電和通過寬輸入范圍DC-DC電源為L(zhǎng)ED供電等；最后，還介紹了能夠用于需要高可靠性和持續(xù)性的LED應(yīng)用中的安森美半導(dǎo)體LED分流保護(hù)解決方案。