街道及停車場照明等大功率LED照明挑戰(zhàn)暨驅(qū)動電源方案
2011/8/4 17:44:58
電源在線網(wǎng)
隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的日漸增強，業(yè)界越來越關(guān)注能源消耗對環(huán)境的影響。在各種能源消耗途徑中，據(jù)統(tǒng)計，有高達(dá)20%至22%的電能用于照明。提高照明應(yīng)用的能源使用效率乃至進(jìn)一步降低其能源消耗，有助于減少二氧化碳排放，造就更加綠色環(huán)保的世界。因此，高能效照明正在成為業(yè)界競逐的一個焦點。
從應(yīng)用領(lǐng)域來看，照明涵蓋住宅照明、工業(yè)照明、街道照明和餐廳、零售及服務(wù)業(yè)照明等不同類別。而從功率等級來看，除了低功率照明，也包括大功率區(qū)域照明，典型應(yīng)用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車場及公共安全照明、工業(yè)及零售照明等室外照明，以及低頂燈、高頂燈、凍柜/冰箱及停車庫等室內(nèi)照明。
大功率區(qū)域照明存在不少挑戰(zhàn)，如燈具可能難以接近、光源發(fā)生故障時可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環(huán)境條件等。此外，不容忽視的是，應(yīng)用于大功率區(qū)域照明的現(xiàn)有光源(如金屬鹵素?zé)簟⒏邏衡c燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈)存在著不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差(CRI約為22)，金屬鹵素?zé)舻牡湫蜔艟邠p耗較高(40%)且其從啟動到發(fā)光至完整亮度經(jīng)歷的時間可能長達(dá)10分鐘，線性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動速度也較慢。
另一方面，隨著高亮度白光發(fā)光二極管(LED)在性能和成本等方面持續(xù)改進(jìn)，越來越多地用于大功率區(qū)域照明，并提供傳統(tǒng)光源不具備的優(yōu)勢，如發(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環(huán)境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護(hù)成本及總體擁有成本。
LED區(qū)域照明應(yīng)用要求
LED驅(qū)動器的主要功能就是在多種條件下限流，并要保護(hù)LED免受浪涌及其它故障條件影響，以及提供某種等級的安全性，避免(電氣和/或機械方式的)震動及著火。對于區(qū)域照明應(yīng)用而言，室外環(huán)境會給LED驅(qū)動器帶來溫度挑戰(zhàn)，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比標(biāo)準(zhǔn)電壓更高的交流輸入電壓。
區(qū)域照明應(yīng)用的LED驅(qū)動器可能還需要符合某些有關(guān)功率因數(shù)或諧波含量的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)對功率超過25 W的照明設(shè)備(C類)的諧波含量提出了要求，相當(dāng)于總諧波失真(THD)低于35%；但符合IEC61000-3-2 C類諧波含量要求并不必然表示功率因數(shù)(PF)高于0.9。而某些市場(如美國)通常要求PF高于0.9及THD低于20%。
很多區(qū)域照明應(yīng)用都在室外，可能會經(jīng)受各種嚴(yán)格溫度條件，從而使總體使用壽命受到影響。而總體系統(tǒng)設(shè)計對使用壽命有重要影響，故使用內(nèi)部發(fā)熱較少、損耗更低的高能效LED驅(qū)動器非常重要，而且在設(shè)計中要對驅(qū)動器與LED熱源進(jìn)行熱隔離，從而增強系統(tǒng)可靠性。
圖1：智能雙亮度等級LED街道照明示例
LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統(tǒng)街燈以定時器或環(huán)境光傳感器來自主控制。而利用電力線通信(PLC)或無線控制技術(shù)，可以提供高度靈活的LED區(qū)域照明控制，如基于時間的光輸出等級集中控制、基于車流量傳感器的發(fā)光等級控制，以及根據(jù)檢測人、車活動來調(diào)控市中心照明，兼顧步行車及街道照明。LED智能控制技術(shù)在節(jié)省電能之余，還不會損及安全性。典型應(yīng)用有如智能雙亮度等級照明，如公園、加油站頂棚、停車場所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據(jù)需要來調(diào)整亮度等級的照明。LED能夠即時導(dǎo)通及關(guān)閉，能夠在這些應(yīng)用中方便地根據(jù)動作或活動來調(diào)節(jié)照明等級，如在未檢測到活動時提供20%-40%的亮度等級，而在檢測到活動時提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節(jié)省額外的電能消耗。
LED區(qū)域照明電源架構(gòu)及典型LED驅(qū)動方案
1) 適合線性燈、線槽燈等應(yīng)用的分布式/模塊化方案
大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中，一種常見的電源架構(gòu)是“功率因數(shù)校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構(gòu)。這種架構(gòu)中，交流輸入電源經(jīng)過功率因數(shù)校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓，提供給后面內(nèi)置DC-DC降壓轉(zhuǎn)換電路的恒流LED模塊(見圖2)。這種架構(gòu)的設(shè)計提供了能夠現(xiàn)場升級的模塊化途徑，可根據(jù)實際需求，靈活改變LED光條數(shù)量，從而增加或減小光輸出，滿足具體區(qū)域照明應(yīng)用要求。這種架構(gòu)下，交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動電路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既簡化安全考慮又增強系統(tǒng)靈活性，也稱作分布式方案，典型應(yīng)用包括線性燈及線槽燈等。
圖2：典型的模塊化LED區(qū)域照明電源架構(gòu)示意圖
在這種模塊化途徑下，一項設(shè)計能夠擴(kuò)展用于多種光輸出等級。而且隨著LED光輸出性能增強，LED模塊要提供相同光輸出等級，所需采用的燈條就更好。而每個燈條都設(shè)有一個專用的DC-DC LED驅(qū)動器，如可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201高能效降壓LED驅(qū)動器。CAT4201專門優(yōu)化用于驅(qū)動大電流LED，采用具有專利的開關(guān)控制算法，提供高能效及精確的LED穩(wěn)流(可達(dá)350 mA)。CAT4201可采用最高36 V的電源電壓供電，并兼容于12 V和24 V標(biāo)準(zhǔn)照明系統(tǒng)。圖3顯示的是CAT4201的高壓LED驅(qū)動器配置，外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入：100 V輸入電壓時LED功率達(dá)30 W；50 V輸入時LED功率達(dá)13 W。
圖3：CAT4201高壓LED驅(qū)動器配置。
2) 適合洗墻燈、外墻燈等應(yīng)用的整體式/單段式方案
并不是所有的區(qū)域照明應(yīng)用都要求采用分布式/模塊化方案。隨著白光LED性能的快速提升，新型LED已經(jīng)可以配合新的LED驅(qū)動器設(shè)計方法。領(lǐng)先的LED制造商已經(jīng)推出支持更大電流及具備更高發(fā)光性能的新型LED，如Cree的XP-G系列LED(正向壓降為3.3 V)在1 A電流時可提供330流明光輸出，Seoul Semiconductor的P7系列LED(正向壓降為3.3 V)在1.4 A時可提供400 流明光輸出。在這種條件下，可以配置新穎的LED驅(qū)動器來直接驅(qū)動1 A到3 A的大電流。例如，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動器。
NCL30001是一種整體式/單段式的LED驅(qū)動方案，這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，并提供恒定電流來直接驅(qū)動LED。這種方案相當(dāng)于將AC-DC轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動兩部分電路整合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種整體式方案的電源轉(zhuǎn)換段更少，減少元器件使用數(shù)量(如光學(xué)元件、LED、電子元件及印制電路板等)、降低系統(tǒng)成本，并支持更高的LED電源總體能效。當(dāng)然，這種方案的功率密度更高，可能并不適合所有區(qū)域照明應(yīng)用，其光學(xué)圖案可能更適合較低功率的LED，典型應(yīng)用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。
圖4：基于NCL30001 LED驅(qū)動器和NCS1002控制器的90 W LED驅(qū)動器演示板電路
安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款功率達(dá)90 W、電流0.7 A至1.5 A、電壓低于60 V的單段式高功率因數(shù)LED驅(qū)動器演示板。該演示板采用了NCL30001 LED驅(qū)動器及帶脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光功能的NCS1002次級端恒壓恒流(CVCC)控制器(見圖4)，適合LED街燈等區(qū)域照明應(yīng)用。
這90 W恒壓恒流演示板接受90至265 Vac的擴(kuò)展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305 Vac)，提供0.7 A至1.5 A的恒定電流輸出范圍(可通過微幅調(diào)節(jié)電阻來選擇)及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍(可通過電阻分壓器來選擇)，最大輸出功率90 W，支持50至1,000 Hz調(diào)光控制，并包含可連接至可選調(diào)光卡的6引腳接口，用于模擬電流調(diào)節(jié)/雙亮度等級數(shù)字調(diào)光等智能調(diào)光應(yīng)用。此外，這演示板還提供短路保護(hù)、開路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)及過壓保護(hù)等豐富保護(hù)特性。測試顯示，這演示板在50 W輸出功率、1,000 mA輸出電壓/48 V正向壓降條件的能效高于87%(詳見表1)，在50%至100%負(fù)載條件下功率因數(shù)高于0.9，同時符合IEC61000-3-2 C類設(shè)備諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。
表1：基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驅(qū)動器演示板能效測試結(jié)果
3) 用于更大功率區(qū)域照明應(yīng)用的高能效LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驅(qū)動電源
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，期望在更大功率的50 W至250 W LED區(qū)域照明應(yīng)用中提供高能效(如高于90%)。要提供這樣高的能效，需要采用高能效的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)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。
在這類要求超高能效的更大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中，可以結(jié)合采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器，用于功率在50到300 W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器，集成了600 V高壓浮動驅(qū)動器，支持50到500 kHz的高頻工作，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。
圖5：基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案
增強LED串可靠性的保護(hù)方案
區(qū)域照明應(yīng)用中通常會采用多串LED。雖然LED本身可靠性高，但若LED串中的某個LED開路，那么整串LED就可能關(guān)閉，而街道照明等應(yīng)用中要避免這種狀況，從而降低后期維護(hù)成本。安森美半導(dǎo)體推出了NUD4700 LED電流旁路保護(hù)器。這器件是一款分流器件，萬一LED串中某個LED開路，則會提供電流旁路，確保在某個LED故障的條件下整串LED不會關(guān)閉；而且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支持大于1 A的大電流。
總結(jié)：
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，為LED區(qū)域照明應(yīng)用提供各種不同的解決方案，如用于分布式/模塊化電源架構(gòu)的CAT4201降壓LED驅(qū)動器、用于整體式電源架構(gòu)的NCL30001單段式高功率因數(shù)LED對口，以及應(yīng)用于大功率LED區(qū)域照明的NCP1607 PFC控制器及NCP1397諧振半橋LLC控制器方案，滿足客戶不同的應(yīng)用需求。安森美半導(dǎo)體還提供基于AMIS-49587電力線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器等產(chǎn)品的聯(lián)網(wǎng)型LED街燈控制方案，以及相關(guān)的MOSFET、整流器、濾波器和保護(hù)產(chǎn)品等，為用戶提供豐富選擇，幫助他們縮短設(shè)計周期，加快產(chǎn)品上市。
參考資料：
[1].《48 V、2 A高能效單段隔離功率因數(shù)校正的LED驅(qū)動器及電信電源》，安森美半導(dǎo)體應(yīng)用筆記AND8394，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8394-D.PDF
[2]. 《可調(diào)節(jié)0.7至1.5 A恒流、高達(dá)55 Vdc電壓的單段功率因數(shù)校正PFC電源》，安森美半導(dǎo)體應(yīng)用筆記AND8427，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8427-D.PDF
[3]. 安森美半導(dǎo)體LED照明方案選型手冊，www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8034-D.PDF
[4]. 安森美半導(dǎo)體街道及停車場照明用大功率LED電源在線研討會，webcast.ednchina.com/519/Content.aspx<
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