近年來，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)市場快速發(fā)展,。LED光效不斷增高,，平均每流明光輸出的成本也持續(xù)下降，使其應(yīng)用范圍不斷拓寬,，除了已經(jīng)在屏幕尺寸小于4英寸的便攜設(shè)備背光及體育場館大型顯示屏等應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位,，更向汽車、中大尺寸液晶顯示器(LCD)背光及通用照明等市場滲透,，發(fā)展前景非?？捎^。
以電燈泡和熒光燈管替代,、嵌燈,、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈,、櫥柜內(nèi)照明),、景觀照明、廣告牌文字電路,、建筑物照明等通用照明市場為例,，據(jù)估計，當(dāng)前LED照明(或稱固態(tài)照明,，英文簡稱SSL)的應(yīng)用比例低于1%,，2008年LED驅(qū)動器及相關(guān)分立器件的市場規(guī)模(SAM)僅為約6.88億美元，預(yù)計到2012年市場規(guī)模將增長至13.08億美元,，年復(fù)合增長率高達(dá)17.4%,。因此，LED通用照明成為熱點市場,。
本文旨在探討LED通用照明市場不同功率范圍及不同電源供電應(yīng)用的要求,，以及適用的LED驅(qū)動器及相關(guān)元器件，幫助照明設(shè)計工程師盡擇適合的元器件方案,，加快上市進(jìn)程,。
不同功率AC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應(yīng)用所適合的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。如在功率低于80 W的應(yīng)用中,，反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)選擇,；而在講究高能效的應(yīng)用中,，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導(dǎo)體提供覆蓋寬廣功率范圍的AC-DC LED照明方案,，表1列舉了幾種典型的安森美半導(dǎo)體AC-DC LED照明方案,。
表1：安森美半導(dǎo)體典型AC-DC LED通用照明解決方案。
從應(yīng)用的功率等級來看,，AC-DC供電的LED通用照明應(yīng)用包括低功率,、中等功率和大功率等不同類型。低功率應(yīng)用的功率范圍通常在1到12 W之間,，中等功率涵蓋8到40 W范圍,，大功率應(yīng)用的功率常高于40 W。
1) 1 W至8 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案
在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面,，典型應(yīng)用如G13,、GU10、PAR16,、PAR20和嵌燈等,。這類應(yīng)用的輸入電壓范圍在交流90至264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA兩種,，能效要求為80%,，并要求提供短路保護(hù)和過壓保護(hù)等保護(hù)特性。
在這類應(yīng)用中,，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開關(guān)控制IC,。這器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V的高壓MOSFET，提供構(gòu)建強(qiáng)固的低成本電源所需的全部特性,，如軟啟動,、頻率抖動、短路保護(hù),、跳周期,、最大峰值電流設(shè)定點及動態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。
值得一提的是,，NCP1015在1 W到8 W LED照明應(yīng)用中,，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案,，滿足客戶的不同應(yīng)用需求,。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實現(xiàn)電氣隔離,，方案中包含簡單的反饋電路和用于負(fù)載開路及故障保護(hù)的鉗位電路,，安全性高，更適合于需求通過安規(guī)認(rèn)證的應(yīng)用,。非隔離型方案采用抽頭電感來隔離交流信號,，能提高M(jìn)OSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能,。
圖1：基于安森美半導(dǎo)體NCP1015的1至8 W隔離型(a)及非隔離型(b) LED照明方案,。
上述基于NCP1015的隔離型及非隔離型方案均不含PFC，但安森美半導(dǎo)體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案,，為客戶提供更多選擇,。
2) 8 W至25 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案：無PFC與有PFC
在8 W-25 W AC-DC LED照明應(yīng)用中，我們要考慮兩種情況,。一種是應(yīng)用不要求功率因數(shù)校正(PFC),。另一方面，美國能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定任何功率等級皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC),。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈,，其中,，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9,。但這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn),，即可選擇不遵從或遵從。因此,，要考慮的另一種情況是要求PFC,。
不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應(yīng)用如PAR30,、PAR38和嵌燈,。在這類應(yīng)用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入),，能效要求大于80%,，提供短路保護(hù)及開路保護(hù)等保護(hù)特性，恒流輸出電流為350 mA,、700 mA及1 A等不同電流,。相應(yīng)地，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351,，見圖2,。
圖2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(無PFC)
其中，NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開關(guān)控制IC,，提供800 mA峰值電流,，還提供過功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性，適用于在通用寬電源輸入的應(yīng)用中提供幾瓦至15 W的輸出功率,。除了基于NCP1028的無PFC方案,，安森美半導(dǎo)體現(xiàn)也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導(dǎo)通時間,、可變關(guān)閉時間脈寬調(diào)制(PWM)控制器,，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線反激開關(guān)電源應(yīng)用。這器件支持頻率反走,，還具有閂鎖輸入,、自然的頻率抖動、負(fù)電流感測及擴(kuò)展的電源電壓范圍等特性,。
在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面,，典型應(yīng)用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈,。這類應(yīng)用的輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac,，能效要求80%，支持350 mA,、700 mA及1 A恒流輸出,，提供短路及過壓保護(hù)，功率因數(shù)要求高于0.9,。這類應(yīng)用適合采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器,。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用PFC升壓段，減少元器件數(shù)量,，幫助降低系統(tǒng)總成本,。NCL30000提供高于0.9的功率因數(shù)，滿足IEC C類諧波含量要求,。這器件能夠直接驅(qū)動LED,，帶精確恒流輸出控制，在5至15 W的較低輸出功率時能效高于80%,，典型能效高于83%,，并支持TRIAC等現(xiàn)有調(diào)光方案。
圖3：基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)
3) 50 W至200 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案
功率高于50 W的AC-DC LED應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明,，可以采用不同的LED方案,，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范圍。假定其輸入電壓規(guī)格為90--264 Vac,，功率因數(shù)高于0.9,，能效大于85%，提供短路及過壓保護(hù),，及350 mA,、700 mA和1 A的恒流輸出,。此類應(yīng)用可以采用下述不同方案，適應(yīng)不同需求：
NCL30001：單段式PFC LED驅(qū)動器,；
NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM,；
NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。
圖4：基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案,。
以NCL30001為例,，這是一款電流連續(xù)模式(CCM)控制器，用于40 W到150 W功率范圍的單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器,。這器件支持20到250 kHz的可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，支持頻率抖動和電壓前饋,，包含輸入欠壓和過載定時器,，提供高能效和高功率因數(shù)及強(qiáng)固的保護(hù)特性，圖4是NCL30001的典型應(yīng)用電路圖,。
值得一提的是,，近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)興趣日濃,，期望在相對較低的功率電平(<50 W)提供高于90%的能效,，這個能效目標(biāo)甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過49 W時能效高于87%)更高。要達(dá)到這樣高的能效,，需要采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，如從反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢,。有利的是,，安森美半導(dǎo)體早已著手開發(fā)能用于LED驅(qū)動電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級版NCP1397高性能諧振模式控制器,。NCP1397內(nèi)置高端和低端驅(qū)動器,，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效,，并具備多種故障保護(hù)特性,。
不同功率DC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
對于直流-直流(DC-DC)供電的LED照明應(yīng)用而言，同樣可以根據(jù)不同功率范圍來展開討論,。
4) 1 W-3 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應(yīng)用包括MR11/MR16,、汽車照明、太陽能供電等,。這類應(yīng)用的輸入電壓為5到28 Vdc,，支持350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達(dá)500 kHz至2 MHz,，能效不低于90%,，工作溫度范圍為-40℃至125℃,。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201降壓LED驅(qū)動器,。這器件擁有專利的開關(guān)控制架構(gòu),，可驅(qū)動7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時)，能效高達(dá)94%,，并提供LED開路保護(hù),、限流和過熱保護(hù)等保護(hù)特性。
圖5：CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案,。
5) 1 W-30 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型 1 W-30W DC-DC LED降壓應(yīng)用包括MR16射燈,、街道照明中的次級端DC-DC LED驅(qū)動器。這類應(yīng)用中,，輸入電壓范圍為7 至120 Vdc,，輸出電壓范圍為6至110 Vdc，支持350 mA,、700 mA或1 A恒流輸出,，能效不低于90%。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30100降壓LED驅(qū)動器,，這器件外置開關(guān)MOSFET,，提供靈活的輸入電壓和輸出電流設(shè)計，能效高于95%,，其應(yīng)用電路圖參見圖6(a),。
圖6：基于NCL30010的1-30 W LED降壓應(yīng)用和基于NCP3066的3-20 W LED升壓應(yīng)用。
6) 1 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用
典型3 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用常見于DC-DC LED驅(qū)動器,。這類應(yīng)用的輸入電壓為5至28 Vdc,，支持350 mA或700 mA恒流輸出，能效不低于90%,。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP3065/NCP3066 LED驅(qū)動器,。NCP3065/NCP3066能夠配置為降壓、升壓,、單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)和逆變器等不同模式,，并提供相應(yīng)的汽車應(yīng)用版本，即NCV3065/NCV3066,。圖6(b)顯示的是NCP3066的升壓配置LED應(yīng)用電路圖,。
7) 1 W-3 W手電筒LED升壓/降壓應(yīng)用
1 W-3 W手電筒LED應(yīng)用中既有升壓型，也有降壓型,。升壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為1至2.5 Vdc,，工作頻率達(dá)1.2 MHz；降壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc,，頻率達(dá)1.7 MHz,。兩類應(yīng)用都需支持350 mA或600 mA恒流輸出,，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應(yīng)用可采用安森美半導(dǎo)體的NCP1421升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,，同等功率范圍的手電筒降壓LED應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1529低壓降壓轉(zhuǎn)換器,，應(yīng)用電路圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。
圖7：基于NCP1421的升壓型和基于NCP1529的降壓型1-3 W手電筒LED應(yīng)用,。
特別適合低電流LED照明應(yīng)用的線性恒流穩(wěn)流器
前文根據(jù)不同的供電類型,，探討了不同功率范圍LED應(yīng)用的要求及適合采用的驅(qū)動電源方案。但縱觀不同的LED照明應(yīng)用,，可以發(fā)現(xiàn)有一類應(yīng)用側(cè)重于低電流應(yīng)用,，典型應(yīng)用如商業(yè)和工業(yè)標(biāo)識牌、汽車停車燈和尾燈,，以及建筑物和裝飾照明等,。這類低電流LED應(yīng)用常見的驅(qū)動方案包括低壓降線性穩(wěn)壓器和電阻等。這兩種驅(qū)動方案各有其優(yōu)劣勢,。
有利的是，安森美半導(dǎo)體利用正申請專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),，結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力,，推出一種新的低電流LED驅(qū)動方案——NSI45系列雙端和三端線性恒流穩(wěn)流器(CCR)。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡單,，且成本更低,，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補(bǔ)了市場空隙,。NSI45系列提供眾多優(yōu)勢,，如在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時保護(hù)LED免受過驅(qū)動影響,，輸入電壓較低時仍使LED較亮,，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系統(tǒng)總成本等,，非常適合低電流LED電流應(yīng)用,。
LED照明應(yīng)用中的其它產(chǎn)品及方案
眾所周知，LED照明系統(tǒng)較為復(fù)雜,，涉及光學(xué),、電和熱等不同范疇。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能,、高能效硅方案供應(yīng)商,，提供完整的LED照明解決方案，除了驅(qū)動電源外,，還包括通信,、光傳感器,、MOSFET、整流器,、保護(hù),、濾波器和熱管理產(chǎn)品，參見圖8,。
例如,， LED環(huán)境光及街燈強(qiáng)度控制、LED背光強(qiáng)度控制和顯示屏白平衡控制等應(yīng)用需要能耗極低的環(huán)境光傳感器,，并要求光傳感器支持精確的低光等級工作,，特別是在存在濾光的情況下。在這類應(yīng)用中,，安森美半導(dǎo)體提供包括光傳感器,、LED驅(qū)動器及高速I2C接口的光電產(chǎn)品組合，其中的光傳感器產(chǎn)品包括NOA1211(模擬輸出),、NOA1302(數(shù)字輸出)和NOA1305(數(shù)字輸出)等,。這些光傳感器的工作電流極低，在100流明光輸出條件下分別僅為58 μA,、550 μA和115 μA,。
此外，LED街燈等應(yīng)用為了降低后期維護(hù)成本,，可在應(yīng)用中增加保護(hù)器件,，如采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700，在發(fā)生LED開路故障條件時提供旁路電流,，保證其它LED正常工作,，且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支持大于1 A電流,。另外,，在智能電網(wǎng)趨勢下，工程師還可以在LED聯(lián)網(wǎng)街燈應(yīng)用中采用安森美半導(dǎo)體的AMIS-30585和AMIS-49587電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器及NCS5650 PLC線路驅(qū)動器等產(chǎn)品,。除此之外,，安森美半導(dǎo)體的BC858CDXV6T1G雙極結(jié)晶體管(BJT)也可用于在LED照明應(yīng)用的低能耗恒流感測。
圖8：安森美半導(dǎo)體能為LED照明應(yīng)用提供完成光電組合產(chǎn)品解決方案,。
總結(jié)：
隨著高性價比,、超高亮度LED的出現(xiàn)，固態(tài)照明近年來快速發(fā)展,。相應(yīng)地,，照明設(shè)計工程師需要根據(jù)供電電源、燈具,、功率范圍和LED配置等情況,，選擇不同的LED驅(qū)動電源解決方案,。安森美半導(dǎo)體從系統(tǒng)角度出發(fā)，提供考慮電,、熱和光等多種因素的高可靠性產(chǎn)品,，包括豐富的AC-DC和DC-DC供電高能效LED驅(qū)動解決方案，以及光傳感器,、濾波,、保護(hù)及聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品，為客戶提供完整的LED照明解決方案,。
安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能,、高能效硅方案供應(yīng)商，提供涵蓋1 至數(shù)百瓦功率范圍的LED照明驅(qū)動及PFC解決方案,，而無論LED照明應(yīng)用采用何種的是AC-DC電源,、DC-DC電源或是LED手電筒所采用的電池，并滿足客戶對低成本,、高性價比,、高能效或是選擇是否增加PFC的不同要求。