低功率LED通用照明設計挑戰暨安森美半導體高能效方

近年來(lái)，照明已經(jīng)成為世界各國推動(dòng)節能環(huán)保所瞄準的一個(gè)重要領(lǐng)域。據統計，全球每年約有20%的電能用于照明，這些電能中又有約40%用于低效的白熾燈照明。而隨LED在光輸出性能、成本等幾乎各個(gè)方面的持續改進(jìn)，LED通用照明已經(jīng)成為白熾燈等傳統照明的一種極引人注目的替代解決方案。

典型的LED通用照明應用包括電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車(chē)燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內照明)、景觀(guān)照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等。LED街燈的功率較高，一般在50 W至300 W之間；LED建筑物及區域照明應用的功率一般在40 W到125 W之間，屬于中等功率范圍；30 W以下的可統稱(chēng)作低功率LED照明應用，包括特定指向照明，如櫥柜內照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺燈等，以及全向照明，如重點(diǎn)照明、家電、通用照明A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將重點(diǎn)探討30 W以下功率的低功率LED通用照明應用，以及安森美半導體相應的高能效方案。

圖1：常見(jiàn)低功率LED照明應用。

低功率LED照明應用選擇驅動(dòng)器須考慮的因素
LED驅動(dòng)器的主要功能，就是在工作條件范圍下限制電流，而無(wú)論輸入及輸出條件如何變化。其應用設計面臨多種限制條件，如高能效(低損耗)、高性?xún)r(jià)比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標準、可改造用于已有應用及能采用傳統控制方式工作等。

要為低功率LED應用選擇適合的驅動(dòng)器并不容易，需要顧及不同的因素。例如，商業(yè)和住宅市場(chǎng)對LED燈具在工作溫度、使用時(shí)長(cháng)、性能及“能源之星”等行業(yè)標準方面的要求并不相同。此外，燈泡替代應用也存在著(zhù)獨特挑戰，如LED電源及驅動(dòng)器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調光技術(shù)等。

就LED通用照明適用的標準而言，主要有美國“能源之星”要求的功率因數校正(PFC)標準以及歐盟的國際電工委員會(huì )(IEC)對總諧波失真的限制標準。其中，“能源之星”V1版燈具標準要求LED照明燈具具備PFC，適用于嵌燈、櫥柜燈及臺燈等特定產(chǎn)品，但與功率電平無(wú)關(guān)。這標準要求住宅應用的功率因數(PF)高于0.7，而商業(yè)應用高于0.9。這標準是自愿性標準，將于2011年9月實(shí)施。而“能源之星”的1.1版整體式LED燈泡標準已于2010年8月生效，要求輸入功率高于5 W的燈泡功率因數高于0.7。

如前所述，為低功率LED照明應用選擇適合的驅動(dòng)器須考慮眾多因素，這其中，有關(guān)功率因數等行業(yè)標準尤為重要。接下來(lái)，我們以安森美半導體的相關(guān)產(chǎn)品為例，探討如何在低功率照明應用中提供高功率因數。

改善低功率LED住宅照明應用能效的方案
以住宅照明的臺燈和櫥柜燈等應用為例，功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應用最適合采用隔離型反激拓撲結構。但傳統離線(xiàn)反激電源轉換器在開(kāi)關(guān)穩壓器前面采用全波整流橋及大電容，這種配置的功率利用率或輸入線(xiàn)路波形的PF較低，僅在0.5至0.6的范圍。

這就要引入PFC。如可在反激轉換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC，能提供高于0.98的PF，但增加了元件數量及復雜性，且最適合的功率遠高于本應用要求。無(wú)源PFC方案眾多，可改善PF，但通常都使用較多額外元件，增加成本及電路板占用空間，并降低可靠性。

圖2：改善了功率因數的NCP1014應用電路圖。

實(shí)際上，高功率因數通常需要正弦線(xiàn)路電流，且要求線(xiàn)路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統設計的第一步就是在開(kāi)關(guān)段前獲得極低電容，從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線(xiàn)路電壓，產(chǎn)生更合意的正弦輸入電流，反激轉換器的輸入電壓就以線(xiàn)路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數就高。安森美半導體的NCP1014自供電單片開(kāi)關(guān)穩壓器采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個(gè)特定點(diǎn)；這個(gè)點(diǎn)由輸入電壓及開(kāi)關(guān)周期或導電時(shí)間結束前的初級電感來(lái)確定。由于導電時(shí)間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數。

圖3：基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數。

應對更高功率因數及TRIAC調光挑戰的方案
要針對低功率LED照明應用提供高于0.9的功率因數及低總諧波失真，以適合商業(yè)應用要求，就有必要使用新的拓撲結構。在這種情況下，傳統的兩段式拓撲結構(PFC升壓+反激轉換)就無(wú)法滿(mǎn)足要求了。相應的，我們可以使用基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的單段式CrM反激拓撲結構。單段式拓撲結構省下專(zhuān)用的PFC升壓段，幫助減少元器件數量，降低系統總成本，并提供高功率因數。圖4顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數反激拓撲結構的簡(jiǎn)化功能框圖。

圖4：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動(dòng)器GreenPoint?參考設計簡(jiǎn)化框圖。

值得一提的是，與前述針對住宅應用使用開(kāi)關(guān)穩壓器(內置FET等旁路元件)的方案不同，我們在針對商業(yè)照明的應用中使用的是寬動(dòng)態(tài)范圍的精確導通時(shí)間控制器方案NCL30000。設計中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實(shí)現折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線(xiàn)等?；贜CL3000構建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測試顯示，功率因數遠高于0.9，部分輸入電壓條件下功率因數甚至高于0.95(見(jiàn)圖5)，能效也極高(參見(jiàn)參考資料2)。

圖5：基于NCL30000的演示板PF及THD測試結果。

此外，TRIAC調光器應用廣泛，故LED驅動(dòng)方案的一項挑戰就是兼容TRIAC調光這樣的已有調光技術(shù)，因為T(mén)RIAC調光器設計針對的是電阻型負載的白熾燈泡(功率因數約為1)，。有利的是，基于NCL30000的設計提供極高的功率因數，輕松符合商業(yè)應用的功率因數要求。且用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設計的NCL30000單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相，輸入電流波形看上去象是電阻型負載的波形，能夠兼容TRIAC調光。

為了支持客戶(hù)在低功率LED商業(yè)照明應用中應用NCL30000 PFC控制器，安森美半導體提供設計目標功率低于18 W、旨在以350 mA電流驅動(dòng)4到15顆LED的三款NCL30000評估演示電路板，分別是NCL30000LED1GEVB(輸入電壓90至135 Vac，TRIAC可調光)、NCL30000LED2GEVB(輸入電壓180至265 Vac，TRIAC可調光)及NCL30000LED3GEVB (輸入電壓90至305 Vac)。當然，客戶(hù)可能需要支持更大功率及更大電流的選擇。這時(shí)候就需要優(yōu)化變壓器及輸出整流器和電容等關(guān)鍵元器件，并將輸出繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)方式。而且有利的是，NCL30000作為控制器方案，支持寬功率范圍。

后續方案展望
LED在通用照明中替代白熾燈泡的應用前景極為廣闊，但仍有不少挑戰有待解決。A型燈、E26、E27等傳統白熾燈包含不同功率等級，如40 W白熾燈一般提供約450流明(lm)的光輸出。如今一流暖白光LED的光效約為100 lm/W，考慮到熱效應及光電轉換效率問(wèn)題，要提供450 lm光輸出，大約需要5到7顆LED，而將這些LED裝配在燈泡內存在著(zhù)空間及性能方面的挑戰。有利的是，安森美半導體正在開(kāi)發(fā)相應的LED驅動(dòng)器方案。

此外，在上述方案中，NCL30000用于隔離型高功率因數拓撲結構。實(shí)際上，這器件也可配置為非隔離型降壓或降壓-升壓拓撲結構。

總結：
為低功率LED通用照明應用選擇適合的驅動(dòng)器方案需要顧及跟應用相關(guān)的多種因素，如空間、能效、環(huán)境條件及兼容的調光技術(shù)等。本文以安森美半導體的NCP1014單片開(kāi)關(guān)穩壓器及NCL30000功率因數校正TRIAC可調光LED驅動(dòng)器為例，重點(diǎn)探討如何應對低功率住宅及商業(yè)LED照明應用針對功率因數要求等方面的挑戰，分享了這些方案的相關(guān)能效測試結果，顯示它們非常適合用于設計滿(mǎn)足“能源之星”等相關(guān)規范標準功率因數要求的低功率照明應用。這兩款產(chǎn)品僅是安森美半導體寬范圍LED驅動(dòng)器方案的少數示例，客戶(hù)利用這些高能效、高性能LED驅動(dòng)器方案，輔以安森美半導體提供的GreenPoint?網(wǎng)上設計仿真工具，能夠縮短設計周期，加快產(chǎn)品上市。