安森美半導體LED區域照明應用設計

隨著(zhù)人們節能環(huán)保意識的日漸增強，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注能源消耗對環(huán)境的影響。在各種能源消耗途徑中，據統計，有高達20%至22%的電能用于照明。提高照明應用的能源使用效率乃至進(jìn)一步降低其能源消耗，有助于減少二氧化碳排放，造就更加綠色環(huán)保的世界。因此，高能效照明正在成為業(yè)界競逐的一個(gè)焦點(diǎn)。

從應用領(lǐng)域來(lái)看，照明涵蓋住宅照明、工業(yè)照明、街道照明和餐廳、零售及服務(wù)業(yè)照明等不同類(lèi)別。而從功率等級來(lái)看，除了低功率照明，也包括大功率區域照明，典型應用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車(chē)場(chǎng)及公共安全照明、工業(yè)及零售照明等室外照明，以及低頂燈、高頂燈、凍柜/冰箱及停車(chē)庫等室內照明。

大功率區域照明存在不少挑戰，如燈具可能難以接近、光源發(fā)生故障時(shí)可能帶來(lái)安全問(wèn)題、戶(hù)外存在多種極端環(huán)境條件等。此外，不容忽視的是，應用于大功率區域照明的現有光源（如金屬鹵素燈、高壓鈉燈、線(xiàn)性熒光燈及緊湊型熒光燈）存在著(zhù)不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差（CRI約為22），金屬鹵素燈的典型燈具損耗較高（40%）且其從啟動(dòng)到發(fā)光至完整亮度經(jīng)歷的時(shí)間可能長(cháng)達10分鐘，線(xiàn)性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動(dòng)速度也較慢。

另一方面，隨著(zhù)高亮度白光發(fā)光二極管（LED）在性能和成本等方面持續改進(jìn)，越來(lái)越多地用于大功率區域照明，并提供傳統光源不具備的優(yōu)勢，如發(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開(kāi)啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動(dòng)檢測環(huán)境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護成本及總體擁有成本。

一、LED區域照明應用要求

LED驅動(dòng)器的主要功能就是在多種條件下限流，并要保護LED免受浪涌及其它故障條件影響，以及提供某種等級的安全性，避免（電氣和/或機械方式的）震動(dòng)及著(zhù)火。對于區域照明應用而言，室外環(huán)境會(huì )給LED驅動(dòng)器帶來(lái)溫度挑戰，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比標準電壓更高的交流輸入電壓。

區域照明應用的LED驅動(dòng)器可能還需要符合某些有關(guān)功率因數或諧波含量的規范標準。如歐盟的國際電工聯(lián)盟（IEC）的IEC61000-3-2標準對功率超過(guò)25 W的照明設備（C類(lèi)）的諧波含量提出了要求，相當于總諧波失真（THD）低于35%；但符合IEC61000-3-2 C類(lèi)諧波含量要求并不必然表示功率因數（PF）高于0.9。而某些市場(chǎng)（如美國）通常要求PF高于0.9及THD低于20%。

很多區域照明應用都在室外，可能會(huì )經(jīng)受各種嚴格溫度條件，從而使總體使用壽命受到影響。而總體系統設計對使用壽命有重要影響，故使用內部發(fā)熱較少、損耗更低的高能效LED驅動(dòng)器非常重要，而且在設計中要對驅動(dòng)器與LED熱源進(jìn)行熱隔離，從而增強系統可靠性。

LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統街燈以定時(shí)器或環(huán)境光傳感器來(lái)自主控制。而利用電力線(xiàn)通信（PLC）或無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)，可以提供高度靈活的LED區域照明控制，如基于時(shí)間的光輸出等級集中控制、基于車(chē)流量傳感器的發(fā)光等級控制，以及根據檢測人、車(chē)活動(dòng)來(lái)調控市中心照明，兼顧步行車(chē)及街道照明。LED智能控制技術(shù)在節省電能之余，還不會(huì )損及安全性。典型應用有如智能雙亮度等級照明，如公園、加油站頂棚、停車(chē)場(chǎng)所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據需要來(lái)調整亮度等級的照明。LED能夠即時(shí)導通及關(guān)閉，能夠在這些應用中方便地根據動(dòng)作或活動(dòng)來(lái)調節照明等級，如在未檢測到活動(dòng)時(shí)提供20%-40%的亮度等級，而在檢測到活動(dòng)時(shí)提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節省額外的電能消耗。

二、LED區域照明電源架構及典型LED驅動(dòng)方案

1）適合線(xiàn)性燈、線(xiàn)槽燈等應用的分布式/模塊化方案

大功率LED區域照明應用中，一種常見(jiàn)的電源架構是功率因數校正（PFC）+恒壓（CV）+恒流（CC）的三段式架構。這種架構中，交流輸入電源經(jīng)過(guò)功率因數校正和隔離型直流-直流（DC-DC）轉換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓，提供給后面內置DC-DC降壓轉換電路的恒流LED模塊。這種架構的設計提供了能夠現場(chǎng)升級的模塊化途徑，可根據實(shí)際需求，靈活改變LED光條數量，從而增加或減小光輸出，滿(mǎn)足具體區域照明應用要求。這種架構下，交流-直流（AC-DC）轉換與LED驅動(dòng)電路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既簡(jiǎn)化安全考慮又增強系統靈活性，也稱(chēng)作分布式方案，典型應用包括線(xiàn)性燈及線(xiàn)槽燈等。

在這種模塊化途徑下，一項設計能夠擴展用于多種光輸出等級。而且隨著(zhù)LED光輸出性能增強，LED模塊要提供相同光輸出等級，所需采用的燈條就更好。而每個(gè)燈條都設有一個(gè)專(zhuān)用的DC-DC LED驅動(dòng)器，如可以采用安森美半導體的CAT4201高能效降壓LED驅動(dòng)器。CAT4201專(zhuān)門(mén)優(yōu)化用于驅動(dòng)大電流LED，采用具有專(zhuān)利的開(kāi)關(guān)控制算法，提供高能效及精確的LED穩流（可達350 mA）。CAT4201可采用最高36 V的電源電壓供電，并兼容于12 V和24 V標準照明系統。顯示的是CAT4201的高壓LED驅動(dòng)器配置，外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入：100 V輸入電壓時(shí)LED功率達30 W；50 V輸入時(shí)LED功率達13 W。

2）適合洗墻燈、外墻燈等應用的整體式/單段式方案

并不是所有的區域照明應用都要求采用分布式/模塊化方案。隨著(zhù)白光LED性能的快速提升，新型LED已經(jīng)可以配合新的LED驅動(dòng)器設計方法。領(lǐng)先的LED制造商已經(jīng)推出支持更大電流及具備更高發(fā)光性能的新型LED，如Cree的XP-G系列LED（正向壓降為3.3 V）在1 A電流時(shí)可提供330流明光輸出，Seoul Semiconductor的P7系列LED（正向壓降為3.3 V）在1.4 A時(shí)可提供400 流明光輸出。在這種條件下，可以配置新穎的LED驅動(dòng)器來(lái)直接驅動(dòng)1 A到3 A的大電流。例如，可以采用安森美半導體的NCL30001功率因數校正TRIAC可調光LED驅動(dòng)器。

NCL30001是一種整體式/單段式的LED驅動(dòng)方案，這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉換電路，并提供恒定電流來(lái)直接驅動(dòng)LED。這種方案相當于將AC-DC轉換與LED驅動(dòng)兩部分電路整合在一起，均位于照明燈具內，省下了LED光條中集成的線(xiàn)性或DC-DC轉換器。這種整體式方案的電源轉換段更少，減少元器件使用數量（如光學(xué)元件、LED、電子元件及印制電路板等）、降低系統成本，并支持更高的LED電源總體能效。當然，這種方案的功率密度更高，可能并不適合所有區域照明應用，其光學(xué)圖案可能更適合較低功率的LED，典型應用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。