照明市場(chǎng)中的高亮度LED驅動(dòng)挑戰

圖1：不同光源的能效發(fā)展趨勢對比

　　相比較而言，LED是一種新興的光源技術(shù)。最常見(jiàn)的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì )發(fā)黃光)的藍色LED。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，近年來(lái)，業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對于通用照明而言，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，它們在機械上很強固并且不含汞，在恰當地設計和使用時(shí)能夠具有超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)的工作壽命周期。與壽命為1千小時(shí)的標準白熾燈相比，LED的壽命就要長(cháng)得多。對于需要長(cháng)時(shí)間連續工作、可能的用量有限、擁有很多極端應用環(huán)境的照明應用而言，或者是在地理上難于接近或故障停機成本高昂的應用中，LED的這些特性就特別具有吸引力。這樣一來(lái)，高亮度LED已經(jīng)在多種應用中開(kāi)始替代白熾燈；其中白天可見(jiàn)的應用包括汽車(chē)中央停車(chē)警告燈和交通信號燈。

　LED通用照明要求及LED驅動(dòng)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固態(tài)照明系統涉及以下要求：

　　#215; LED光源：光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率
　　#215; 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
　　#215; 控制和驅動(dòng)：采用電子電路對LED進(jìn)行穩壓和控制
　　#215; 熱管理：為了實(shí)現更長(cháng)的工作壽命，結點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱
　　#215; 光學(xué)器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或導光材料

　　在開(kāi)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控制和驅動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。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。圖2顯示的是LED驅動(dòng)器的基本工作電路示意圖。

圖2：LED驅動(dòng)器的基本工作電路示意

　　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，則需要提供脈寬調制(PWM)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。值得一提的是，由于LED在最適宜電流時(shí)始終處于“導通”狀態(tài)，所以其色彩不會(huì )漂移。

　　由于系統中需要使用的LED數量常常不止一個(gè)，這就涉及到對LED進(jìn)行配置的問(wèn)題。一般而言，強烈建議驅動(dòng)單串LED，因為這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)。當然，用戶(hù)也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來(lái)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(kāi)路，其它LED可能會(huì )被過(guò)驅動(dòng)。相應地，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。

　　LED驅動(dòng)應用示例

　　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。NCP1014/1028的應用設計示意圖如下面的圖3所示。值得一提的是，這設計具有開(kāi)路輸出保護功能，會(huì )在開(kāi)路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設計中，電流和開(kāi)路電壓能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來(lái)調整。值得一提的是，如果針對230 Vac交流線(xiàn)路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達19 W的功率，NCP1028能夠提供高達25 W的功率。

圖3：安森美半導體離線(xiàn)式第二代LED驅動(dòng)器NCP1014/1028的應用示意圖

圖4：需要PFC的LED驅動(dòng)應用中不同架構對比

　　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