安森美半導(dǎo)體高能效LED通用照明解決方案

1、安森美半導(dǎo)體高能效LED通用照明解決方案2021-05-13 點(diǎn)擊:2024通用照明市場常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈CFL、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈HID以及新興的高亮度發(fā)光二極管HB LED等。隨著人們綠色環(huán)保意識的提高，通用照明市場也成為業(yè)界致力提高能效的重要目標(biāo)。就能效總輸出流明與輸入功率比，lm/W而言，不同的通用照明光源中，白熾燈的能 效相對較低，標(biāo)準(zhǔn)60 W白熾燈能效范圍介于 10至13 lm/W 之間總輸出為600至800 Im， 而CFL的典型能效達(dá)55至60 lm/W由于光損耗，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，如金屬

2、鹵素HID燈能效約在80 lm/W，但在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。圖1:通用照明光源的開展趨勢相比擬而言，LED擁有著越來越高的能效，業(yè)界近期宣稱的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力到達(dá)了 132至136 lm/W，色溫達(dá)4,500-6,000K。實(shí)際上，LED的低壓、小體積、定向光、 固態(tài)器件、長工作壽命等優(yōu)勢，對于通用照明特別具有吸引力。LED通用照明系統(tǒng)面臨的要求及挑戰(zhàn)對于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來分析其要求。總的來看，LED通用照明系統(tǒng)涉及到 LED光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率、電源轉(zhuǎn)換將交流墻式插座、電池、太陽能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至平安的低壓直流電源、控制

3、和驅(qū)動(dòng)采用電子電路對 LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制、熱管理結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要 分析散熱，從而實(shí)現(xiàn)更長的工作壽命及光學(xué)器件等。要開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案，這幾方面的要求都非常重要。其中，本文主 要討論LED的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)在下文的太陽能供電街燈照明例如中結(jié)合討論高效的 電源轉(zhuǎn)換問題。對于 LED 驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于 LED 的非線性。這主要表達(dá)在 LED 的 正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同 LED器件的正向電壓會(huì)有差異， LED“色點(diǎn)會(huì)隨 著電流和溫度而漂移，而且 LED 必須在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而 LED 驅(qū)動(dòng)器的主要作用， 就是在工作條

4、件范圍內(nèi)限制電流， 而無論輸入條件和正向電壓如何變化。對于 LED 驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如 果需要 LED 調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制 PWM 調(diào)光技術(shù)；而用于 LED 調(diào)光的典型 PWM 頻率是 1 至 3 kHz 。此外， LED 驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承 受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。通用照明電源轉(zhuǎn)換及 LED 驅(qū)動(dòng)例如根據(jù)具體應(yīng)用的不同， LED 可能會(huì)采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12 V 汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚 至是基于 堿和鎳的電池或鋰離子電池等。1 采用寬輸入范圍的直流 -直流

5、DC-DC 電源為 LED 供電許多高亮度 LED 應(yīng)用工作在高至 40 VDC 范圍的電源，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照 明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。以太陽能電池板供電為例，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效目前僅為約 30% 非常重要。太陽能電池板的電壓 -電流V-I特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中析取最大量的 電能非常困難。 這需要太陽能 LED 街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路 一般采用微控制 器來實(shí)現(xiàn) 盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢。圖2:安森美半導(dǎo)體 CS51221控制器的太陽能板充電控制應(yīng)用示意圖最新支持最大峰值功率追蹤 MPPT功能的控制器能對太陽能

6、電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。具體而言，當(dāng)我們實(shí)際上無法改變負(fù)載時(shí)，MPPT功能使太陽能電池 認(rèn)為負(fù)載正在發(fā)生變化；通過這種方式，MPPT'欺騙太陽能板輸出不同電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電 池。安森美半導(dǎo)體針對太陽能板電池充電控制應(yīng)用，推出CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器見圖2，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V，輸出為12 V2 A，并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過壓鎖定等保護(hù)特性。這控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控；能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽能板應(yīng)用。而在后續(xù)

7、的LED驅(qū)動(dòng)方面，可以選用安森美半導(dǎo)體的 NCP3066驅(qū)動(dòng)方案。NCP3066 是一款高亮度LED恒流降壓穩(wěn)壓器，帶專用 啟用引腳用于實(shí)現(xiàn)低待機(jī)能耗，具有平均電 流感測功能電流精度與LED正向電壓無關(guān)，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低本錢感 測電阻。這器件不需要環(huán)路補(bǔ)償，易于設(shè)計(jì)。需要指出的是，NCP3066也可用作控制器，LED建筑物照明的如可采用100 V外部N溝道FET來進(jìn)行升壓。這器件支持 4至30 W功率的不同應(yīng)用，且 提供不同MOSFET選擇。除了太陽能供電街道照明應(yīng)用外，在針對新興的高亮度、高視覺沖擊力RGB LED像素控制應(yīng)用中，還可以采用安森美半導(dǎo)體的三通道線性恒流L

8、ED驅(qū)動(dòng)器CAT4103。CAT4103為高端、多色彩、 智能 LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有高速串行接口，能夠支持達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式(長距離卜菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。CAT4103支持每通道達(dá)175 mA的寬廣范圍LED恒流驅(qū)動(dòng)，電流為 60 mA時(shí)壓降電 平至0.3 V，確保在驅(qū)動(dòng)長串 LED時(shí)提供最高性能。這種驅(qū)動(dòng)器每通道支持 25 V的電壓 電平，能夠以超過 10瓦(W)的高亮度功率電平支持 RGB像素。VINO5V 25VV5O O13V1O4 5V .1 . El圖3:安森美半導(dǎo)體 CAT4103三通道線性恒流 LED驅(qū)

9、動(dòng)器應(yīng)用示意圖。NEXT 丹和03 £iceCh就宜店mLEO-1LEWBINBOUTCAT4103LOLTSltJ5OUTGMcoin-旦SETlRSET22)采用交流離線電源為LED供電在采用交流離線電源為 LED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場合，如電子鎮(zhèn)流 器、熒光燈替代、交通信號燈、 LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志 等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率 LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需 要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可

10、以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的 NCP1013適合于功率高達(dá) 5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的 緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用， NCP1014/1028 可以提供高達(dá) 8 W的連續(xù)輸出功率，而 NCP1351那么適 合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓 MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc 變壓器設(shè)計(jì)及 700 mA/17 Vdc 配置， 輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾 (EMI)信號以及內(nèi)置熱關(guān)閉保

11、護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。Cftr<11 LE3 m 坤辺圖電圖4 :原50 W鹵素臺(tái)燈、所用變壓器及改造后所用的LED及驅(qū)動(dòng)電路板。為了展現(xiàn)LED的替代優(yōu)勢，安森美半導(dǎo)體近期對一款從市場上所購得的50 W鹵素臺(tái)燈進(jìn)行了改良見圖4，它改用LED燈并采用安森美半導(dǎo)體的NCP1014開關(guān)穩(wěn)壓器再輔以適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計(jì)后，光輸出更高，但能耗僅為原臺(tái)燈的1/9。實(shí)際上，安森美半導(dǎo)體改良的這臺(tái)燈的總能耗甚至比基于變壓器的原鹵素臺(tái)燈的電能損耗更低。值得一提的是，在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于 25 W，LED驅(qū)動(dòng)器那么面臨著功 率因數(shù)校正PF

12、C的問題。在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)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(rèn)證簡單，但在總體能 效方面會(huì)有折衷，如假設(shè)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%，那么總能效僅為 74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改良，這種架構(gòu) 預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)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。保護(hù)通用照明應(yīng)用中的LED如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源 可長達(dá)5萬小時(shí)。除

13、了需要針對具體的 LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為LED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用故障停機(jī)本錢高，或是平安攸關(guān)的應(yīng)用如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等， 或是在地理上難于接近的應(yīng)用維護(hù)困難等。在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700LED分流保護(hù)解決方案。圖 5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近 100而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)， LED就會(huì)開路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0 V,將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA 3 V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于