通用照明市場(chǎng)中的高亮度LED驅動(dòng)挑戰暨安森美半導體解決方案

　　近年來(lái)，隨著(zhù)綠色環(huán)保團體不斷擴大節能環(huán)保界線(xiàn)，各個(gè)規范標準組織不斷發(fā)布新的能效標準，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)成為全球眾多國家的政府、行業(yè)組織、半導體公司、電子產(chǎn)品制造商及消費者所共同關(guān)注的一項焦點(diǎn)。

           如果我們審視各個(gè)應用領(lǐng)域的電能消耗，根據預計，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可觀(guān)，有鑒于此，業(yè)界不斷致力于尋求面向通用照明市場(chǎng)的更加節能高效的照明解決方案。

　　通用照明市場(chǎng)的不同光源對比

　　從具體應用來(lái)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、標志、景觀(guān)照明、零售、信號燈、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(xiàn)性熒光燈、高強度氣體放電燈(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對不同光源進(jìn)行比較，那么用于衡量照明的一個(gè)重要指標便是總輸出流明與輸入功率比，以每瓦流明數(lm/W)來(lái)衡量，稱(chēng)作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中，白熾燈的能效相對較低。對于標準的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)。相對而言，CFL的能效要高得多，典型能效達55至60 lm/W。不過(guò)，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(lái)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(zhù)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(guò)，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：
* 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
* 控制和驅動(dòng)：采用電子電路對LED進(jìn)行穩壓和控制
* 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
* 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
　　在照明應用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅動(dòng)器則面臨著(zhù)功率因數校正(PFC)的問(wèn)題。例如，歐盟的國際電工委員會(huì )(IEC)針對照明(功率大于25 W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規定。而在美國，能源部“能源之星”項目固態(tài)照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無(wú)論是何種功率等級)，即針對住宅應用部分要求功率因數高于0.7，而針對商業(yè)應用部分要求功率因數高于0.9。這標準屬于自愿遵守的標準，并非強制性要求，但有些應用可能需要良好的功率因數。例如，公營(yíng)事業(yè)機構將推動(dòng)LED的大規模應用，應用在公用設施級別的LED可望擁有較高功率因數；而且公營(yíng)事業(yè)機構擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí)，LED是否具有較高功率因數(通常大于0.95)取決于公營(yíng)事業(yè)機構的意愿，如果他們愿意，則相應的LED驅動(dòng)解決方案必須滿(mǎn)足這方面的要求。

　　　　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，如假設交流-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(zhù)LED技術(shù)的持續改進(jìn)，這種架構預計將轉化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據要求的不同，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。

　　另一方面，如上所述，在不需要隔離的應用中，可以采用較為簡(jiǎn)單的降壓拓撲結構，這種結構所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來(lái)實(shí)現這種解決方案。這種架構采用的是峰值電流控制(PCC)模式，工作在深度連續導電模式(CCM)。這種架構具有多種優(yōu)勢，如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩流的簡(jiǎn)單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來(lái)直接從交流線(xiàn)路為驅動(dòng)器供電。

　　圖5顯示的是安森美半導體NCP1216 PWM電流模式控制器的應用設計示意圖。

　　它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢，從交流主電源直接為控制器供電，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。這設計適合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設計，所以存在高壓。而且這是一項浮動(dòng)設計，IC和LED并非對地參考。在對器件進(jìn)行供電之前，LED必須連接至電路板。

　　對于這類(lèi)降壓控制方式而言，當控制的LED數量減少時(shí)，它的一項局限就會(huì )出現，因為這時(shí)占空比會(huì )變得極窄。而且開(kāi)關(guān)控制器在電流被感測到之前會(huì )有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)適應正常操作，并通過(guò)半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構能夠通過(guò)元件修改來(lái)輕易擴展，從而也能驅動(dòng)更長(cháng)的LED串。

　　2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(cháng)ED供電


　　有一系列高亮度LED應用工作在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。這類(lèi)的照明應用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀(guān)和道路照明、汽車(chē)和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。

圖6：安森美半導體NCP3065在LED恒流降壓控制應用中的示意圖

　　即使目標是采用恒定電流驅動(dòng)LED，首先要理解的事件就是應用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結溫度范圍、驅動(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當的線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)電源拓撲結構，如線(xiàn)性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開(kāi)關(guān)，可以設置成降壓、升壓、反轉(降壓-升壓)/單端初級電感轉換器(SEPIC)等多種拓撲結構。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，工作頻率可調節，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)路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數字PWM調光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內部熱關(guān)閉等。

　　為L(cháng)ED提供保護

　　如前所述，LED是一種使用壽命極長(cháng)的光源(可長(cháng)達5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動(dòng)解決方案，還需要為L(cháng)ED提供適當的保護，因為偶爾LED也會(huì )失效。其原因多種多樣，可能是因為L(cháng)ED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態(tài)現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施，特別是因為某些應用屬于關(guān)鍵應用(故障停機成本高)，或是安全攸關(guān)的應用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等)，或是在地理上難于接近的應用(維護困難)等。

　　在這方面，可以采用安森美半導體的NUD4700 LED分流保護解決方案。圖7是這種分流保護解決方案的應用及原理示意圖。
　　　
　　圖7：安森美半導體NUD4700 LED開(kāi)路分流保護器的應用示意圖

　　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(kāi)路，這時(shí)NUD4700分流保護器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節省空間的小型封裝，設計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當，也支持大于1 A電流的操作。

　　總結：

　　相較于白熾燈等傳統光源，LED具有能效高、壽命長(cháng)、指向性好等眾多優(yōu)勢，越來(lái)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)的應用涉及多方面的要求，需要從系統的角度去考慮，如光源、電源轉換、LED控制和驅動(dòng)、散熱和光學(xué)等。本文以L(fǎng)ED驅動(dòng)為重點(diǎn)，分析了通用照明市場(chǎng)中LED驅動(dòng)面臨的挑戰，并結合安森美半導體的高性能LED驅動(dòng)解決方案，探討了不同的LED驅動(dòng)應用示例，如通過(guò)交流隔離電源為L(cháng)ED供電和通過(guò)寬輸入范圍DC-DC電源為L(cháng)ED供電等；最后，還介紹了能夠用于需要高可靠性和持續性的LED應用中的安森美半導體LED分流保護解決方案。