高效能驅動(dòng)LED照明發(fā)展趨勢

以一款典型的100 W白熾燈為例，其中約有95 W的電能轉化為熱量，剩余的僅5 W電能轉化為光。因此，世界上許多國家都開(kāi)始逐步淘汰一般的白熾燈，鼓勵使用節能燈。與白熾燈相比，緊湊型熒光燈(CFL)和線(xiàn)性熒光燈(LFL)等節能燈的能耗大幅下降(僅相當于白熾燈的約1/5)。

　　這些傳統節能燈中包含劇毒化學(xué)物質(zhì)汞，對環(huán)境有不良影響。另一方面，高亮度發(fā)光二極管二極管

　　二極管又叫半導體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導體和n型半導體形成的p-n結構成，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

(HB-LED)近年來(lái)在光輸出、能效(efficacy)及成本等方面全面改善，同時(shí)結合小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，正在照明領(lǐng)域掀起革命。

　　LED照明進(jìn)入各領(lǐng)域，應用將更普及

　　如今，在屏幕尺寸小于4英寸的手機、相機閃光等移動(dòng)設備應用中，及路邊及體育場(chǎng)中大型顯示屏應用中，LED照明，或稱(chēng)固態(tài)照明(SSL)，幾乎占據了100%的份額。除此之外，LED照明也向其它領(lǐng)域邁進(jìn)。如在汽車(chē)應用中，LED照明占據約15%的份額。而在較大液晶顯示屏液晶顯示屏

(LCD)背光

　　屏幕的背景光。常被用于LCD顯示上，其光源可能是白熾燈泡、電光面板(ELP)、發(fā)光二極管(LED)、冷陰極管(CCFL)等。電光面板提供整個(gè)表面均勻的光，而其他的背光模組則使用散光器從不均勻的光源中來(lái)提供均勻的光線(xiàn)。 　　背光可以是任何一種顏色，單色液晶通常有黃、綠、藍、白等背光。而彩色顯示采用白色白光，因其涵蓋最多色光。

應用中，雖然冷陰極熒光燈(CCFL)如今仍然占據主導地位，但LED照明的總滲透率也達到約20%，參見(jiàn)圖1。

　　特別是在備受矚目的大尺寸液晶電視背光應用中，據Laurent Jenck指出，預計LED背光的液晶電視在未來(lái)3到4年間，將占據至50%的份額。

圖1：LED照明在各種應用的滲透比例

　　安森美半導體在電源管理及高能效方案具備專(zhuān)長(cháng)及優(yōu)勢 ，故能發(fā)揮其在電源能效方面的領(lǐng)先實(shí)力，提供專(zhuān)用LED驅動(dòng)器用于便攜、消費、工業(yè)和汽車(chē)等市場(chǎng)，并且固態(tài)照明方案符合或超越世界各地的規范要求，即如GreenPoint參考設計電源般。

　　相比較而言，LED照明在燈泡、嵌燈、街道及區域照明、任務(wù)燈、景觀(guān)照明、商業(yè)建筑物照明及廣告牌文字電路照明等通用照明領(lǐng)域的滲透比例還偏低，目前小于2%，遠低于其它照明類(lèi)型。但LED照明具有高能效等優(yōu)勢，讓其在通用照明市場(chǎng)也極具應用潛力。例如，安森美半導體對從零售商店購得的一款鹵素臺燈(采用35 W燈泡)進(jìn)行重新設計，原鹵素燈中無(wú)電子組件，僅含1個(gè)較重的60 Hz變壓器,變壓器（Transformer）是利用互感原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線(xiàn)圈、次級線(xiàn)圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無(wú)線(xiàn)電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當初級線(xiàn)圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線(xiàn)圈中感應出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線(xiàn)圈組成，線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線(xiàn)圈，其余的繞組叫次級線(xiàn)圈。這鹵素燈在120 Vac條件下的輸入功率為41.7 W，在0.5米距離處測得的光亮度為744流明。重新設計的臺燈采用LED模塊，燈底部采用安森美半導體NCP1014自供電單片式開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)是最常見(jiàn)的電子元件，功能就是電路的接通和斷開(kāi)。接通則電流可以通過(guò)，反之電流無(wú)法通過(guò)。在各種電子設備、家用電器中都可以見(jiàn)到開(kāi)關(guān)。 穩壓器，在120 Vac條件下輸入功率為10.9 W，即能耗僅相當于鹵素燈的1/4；同時(shí)，這LED臺燈在同等距離條件下測得的光亮度為795流明，更優(yōu)于鹵素燈，其72.9流明/瓦(lm/W)的能效(efficacy)更是數倍于鹵素燈(17.8 lm/W)。

　　當然，價(jià)格是LED照明在通用照明領(lǐng)域快速普及的一項制約因素。不過(guò)，安森美半導體的Laurent Jenck援引半導體的發(fā)展歷史指出，當半導體技術(shù)剛剛問(wèn)世，其成本非常高昂以至于應用局限在美國軍方的對成本不敏感的應用中，如軍事衛星；但隨著(zhù)應用范圍的拓廣及應用的增多，半導體產(chǎn)品最后進(jìn)入消費市場(chǎng)，廣泛應用于我們日常工作生活的各個(gè)角落。因此，隨著(zhù)應用的增多，LED照明的價(jià)格/成本將可逐步趨向消費應用。Laurent Jenck預計，LED通用照明可望在5年內開(kāi)始進(jìn)入主流家庭應用。

　　世界各地的規范機構也在積極制定和發(fā)布相關(guān)的LED照明能效規范。如美國“能源之星”的1.1版固態(tài)照明規范于2009年2月開(kāi)始生效。這規范對聚光燈或戶(hù)外燈等不同產(chǎn)品的應用能效要求各不相同，并且包含功率因數要求。就中國而言，負責能效標準設定的中國標準化研究院正牽頭準備在來(lái)年研究中國的LED照明能效標準。

　　以寬范圍、高能效及創(chuàng )新的驅動(dòng)方案促進(jìn)LED照明發(fā)展

　　由于LED照明應用前景廣闊，要促進(jìn)它的不斷發(fā)展，必須針對不同的LED照明應用選擇適合的驅動(dòng)方案。安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應商，提供寬范圍、高能效及創(chuàng )新和強固的LED照明方案。

　　不論是電池

　　如在電池供電的移動(dòng)設備背光應用中，可以采用不同的LED驅動(dòng)技術(shù)，如線(xiàn)性電流驅動(dòng)器、電感升壓型開(kāi)關(guān)穩壓器、電荷泵型驅動(dòng)器等。這幾種驅動(dòng)技術(shù)各有其特點(diǎn)及要求，所以能配合客戶(hù)的需要為他們提供最適合其產(chǎn)品應用的LED驅動(dòng)技術(shù)。如線(xiàn)性電流驅動(dòng)器簡(jiǎn)單易用，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，而且外部元件數量極少，但這種驅動(dòng)器的正向電壓必須低于電池電壓，且能效與輸入電壓及LED正向電壓有關(guān)。電感升壓型開(kāi)關(guān)穩壓器的LED串電流匹配度極佳，且在電池線(xiàn)路電壓范圍內具有極高能效，支持長(cháng)串LED大功率/高壓工作。電荷泵型驅動(dòng)器典型產(chǎn)品采用基于電容的開(kāi)關(guān)拓撲結構，并集成線(xiàn)性驅動(dòng)器用于緊密電流匹配，具有高開(kāi)關(guān)頻率，外部元件數量極少。

　　而在汽車(chē)應用中，根據電流大小的不同，同樣需要采用不同的LED驅動(dòng)器。例如，汽車(chē)中一個(gè)新的趨勢,是在電流常常僅數十毫安(mA)的組合尾燈應用中以線(xiàn)性恒流穩壓器來(lái)替代目前常用的是電阻,電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)為電導體，簡(jiǎn)稱(chēng)導體。電阻大的物質(zhì)稱(chēng)為電絕緣體，簡(jiǎn)稱(chēng)絕緣體。

型驅動(dòng)器。電阻型驅動(dòng)方案簡(jiǎn)單且成本低，但能效極低，還面臨高壓時(shí)大電流應力、LED編碼及熱失控等問(wèn)題或挑戰。

　　有鑒于此，安森美半導體推出了創(chuàng )新的雙端及三端型線(xiàn)性恒流穩壓器(CCR)，它們采用安森美半導體正待批專(zhuān)利的自偏置晶體管晶體管

(SBT)技術(shù)，結合公司在工藝控制方面的專(zhuān)長(cháng)，提供低成本優(yōu)勢，支持寬電壓范圍，提供比電阻型驅動(dòng)器更高的能效及較高的穩流精度，并更利于保護LED。

　　其它應用，如建筑物照明中，同樣可以采用安森美半導體的高能效LED驅動(dòng)方案，如CAT4103、CAT4109三通道線(xiàn)性恒流驅動(dòng)器是高亮度RGB LED驅動(dòng)器，應用于新興的高亮度、高視覺(jué)沖擊力LED建筑物照明中的RGB LED像素控制。

　　而CAT4106是多通道升壓型LED驅動(dòng)器，適合較大尺寸的通用LCD背光應用，能夠驅動(dòng)多達40個(gè)白光LED，提供總計達6 W的LED輸出功率，并幫助設計人員提升背光能效至最高。此外，采用LED背光的大尺寸液晶電視日趨多，其中尤以側光式LED背光為主，通常需要采用6個(gè)單串的LED光條(每串LED視為一個(gè)LED道)。

　　現有6通道側光式LED電視中每個(gè)LED通道均含有專(zhuān)用驅動(dòng)器IC、電感型DC-DC升壓轉換器及及開(kāi)關(guān)。而安森美半導體應用于大尺寸側光式LED背光液晶電視的多通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器CAT4026是一種高性?xún)r(jià)比方案，支持高數量的通道，能以單顆IC控制6個(gè)LED通道，能效目標范圍高于90%，能效典型值量多達94%，且針對 LED開(kāi)路和過(guò)多LED短路等故障條件提供保護。CAT4026的簡(jiǎn)略應用示意圖參見(jiàn)圖2。

圖2：基于安森美半導體CAT4026的大尺寸LED背光液晶電視多通道線(xiàn)性側光方案

　　而在通用照明應用方面，不同功率應用同樣需要不同的LED驅動(dòng)方案。如在低功率應用中，可以采用安森美半導體的NCL30000帶功率因數校正的離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器，兼容TRIAC調光。這種驅動(dòng)器直接驅動(dòng)LED，并帶緊密的恒流輸出穩流；功率因數高于0.9，符合IEC C類(lèi)諧波含量標準, 超出“能源之星”的規范；處于5至15 W的低輸出功率電平時(shí)，能效高于80%，典型能效高于83%，非常適合這類(lèi)通用照明應用。而在大功率的街道照明應用中，可以采用安森美半導體的NCP1607 PFC控制器加NCP1397諧振半橋控制器這樣的整體式方案，能效達92%-93%，并降低電磁干擾。

　　總結

　　隨著(zhù)LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善，LED照明正從小尺寸移動(dòng)設備背光、相機閃光、大型顯示屏等專(zhuān)業(yè)細分應用進(jìn)一步擴展開(kāi)來(lái)，邁進(jìn)汽車(chē)照明、較大LCD背光甚至通用照明市場(chǎng)，前景備受看好。瞄準這些應用的設計人員需要選擇高性能、高能效的LED照明驅動(dòng)方案。

　　安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應商，提供豐富的高能效LED驅動(dòng)器/穩壓器選擇，滿(mǎn)足不同細分應用、電流要求及功率等級的需求，并提供經(jīng)過(guò)測試的高能效GreenPoint參考設計，幫助設計人員縮短設計周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。