三類LED區(qū)域照明電源典型驅(qū)動方案

     從應用領域來看，LED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。

    一、LED區(qū)域照明應用要求

    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277Vac、347Vac或者甚至480Vac等比標準電壓更高的交流輸入電壓。

    區(qū)域照明應用的LED驅(qū)動器可能還需要符合某些有關功率因數(shù)或諧波含量的規(guī)范標準。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)的IEC61000-3-2標準對功率超過25W的照明設備(C類)的諧波含量提出了要求，相當于總諧波失真(THD)低于35%；但符合IEC61000-3-2C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)域照明應用都在室外，可能會經(jīng)受各種嚴格溫度條件，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，而且在設計中要對驅(qū)動器與LED熱源進行熱隔離，從而增強系統(tǒng)可靠性。

    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，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智能控制技術在節(jié)省電能之余，還不會損及安全性。典型應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能夠即時導通及關閉，能夠在這些應用中方便地根據(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。

    二、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、線槽燈等應用的分布式/模塊化方案

    大功率LED區(qū)域照明應用中，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80Vdc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，典型應用包括線性燈及線槽燈等。

    在這種模塊化途徑下，一項設計能夠擴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。而每個燈條都設有一個專用的DC-DCLED驅(qū)動器，如可以采用安森美半導體的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控制算法，提供高能效及精確的LED穩(wěn)流(可達350mA)。CAT4201可采用最高36V的電源電壓供電，并兼容于12V和24V標準照明系統(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：100V輸入電壓時LED功率達30W；50V輸入時LED功率達13W。

    2)適合洗墻燈、外墻燈等應用的整體式/單段式方案

    并不是所有的區(qū)域照明應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)動器設計方法。領先的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3.3V)在1A電流時可提供330流明光輸出，SeoulSemiconductor的P7系列LED(正向壓降為3.3V)在1.4A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1A到3A的大電流。例如，可以采用安森美半導體的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)域照明應用，其光學圖案可能更適合較低功率的LED，典型應用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。

    這90W恒壓恒流演示板接受90至265Vac的擴展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305Vac)，提供0.7A至1.5A的恒定電流輸出范圍(可通過微幅調(diào)節(jié)電阻來選擇)及30V至55V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90W，支持50至1，000Hz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)光應用。此外，這演示板還提供短路保護、開路保護、過溫保護、過流保護及過壓保護等豐富保護特性。測試顯示，這演示板在50W輸出功率、1，000mA輸出電壓/48V正向壓降條件的能效高于87%(詳見表1)，在50%至100%負載條件下功率因數(shù)高于0.9，同時符合IEC61000-3-2C類設備諧波含量標準。

    3)用于更大功率區(qū)域照明應用的高能效LLC拓撲結(jié)構(gòu)驅(qū)動電源

    近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓撲結(jié)構(gòu)興趣日濃，期望在更大功率的50W至250WLED區(qū)域照明應用中提供高能效(如高于90%)。要提供這樣高的能效，需要采用高能效的電源拓撲結(jié)構(gòu)，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓撲結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開關(ZVS)的優(yōu)勢。

    在這類要求超高能效的更大功率LED區(qū)域照明應用中，可以結(jié)合采用安森美半導體的NCP1607PFC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300W范圍的高能效LED街道照明應用。

    NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器，集成了600V高壓浮動驅(qū)動器，支持50到500kHz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特性。

    三、增強LED串可靠性的保護方案

    區(qū)域照明應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就可能關閉，而街道照明等應用中要避免這種狀況，從而降低后期維護成本。安森美半導體推出了NUD4700LED電流旁路保護器。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不會關閉；而且恰當處理散熱的話，還可支持大于1A的大電流。<