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LED區域照明驅動架構與典型設計

編輯：admin 2014-06-25 14:53:39 瀏覽：1323 來源：

　　從應用領域來看，照明涵蓋住宅照明、工業照明、街道照明和餐廳、零售及服務業照明等不同類別。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照明。

　　大功率區域照明存在不少挑戰，如燈具可能難以接近、光源發生故障時可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環境條件等。此外，不容忽視的是，應用于大功率區域照明的現有光源(如金屬鹵素燈、高壓鈉燈、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)，金屬鹵素燈的典型燈具損耗較高(40%)且其從啟動到發光至完整亮度經歷的時間可能長達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，隨著高亮度白光發光二極管(LED) 在性能和成本等方面持續改進，越來越多地用于大功率區域照明，并提供傳統光源不具備的優勢，如發出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質量更佳、環保，并且其開啟和關閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環境光從而改變亮度;此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護成本及總體擁有成本。

　　一、LED區域照明應用要求

　　LED驅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。對于區域照明應用而言，室外環境會給LED驅動器帶來溫度挑戰，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比標準電壓更高的交流輸入電壓。

　　區域照明應用的LED驅動器可能還需要符合某些有關功率因數或諧波含量的規范標準。如歐盟的國際電工聯盟(IEC)的IEC61000-3-2標準對功率超過25 W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IEC61000-3-2 C類諧波含量要求并不必然表示功率因數(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%。

　　很多區域照明應用都在室外，可能會經受各種嚴格溫度條件，從而使總體使用壽命受到影響。而總體系統設計對使用壽命有重要影響，故使用內部發熱較少、損耗更低的高能效LED驅動器非常重要，而且在設計中要對驅動器與LED熱源進行熱隔離，從而增強系統可靠性。

　　LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統街燈以定時器或環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光等級控制，以及根據檢測人、車活動來調控市中心照明，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需要來調整亮度等級的照明。LED能夠即時導通及關閉，能夠在這些應用中方便地根據動作或活動來調節照明等級，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。這樣就利于大量節省額外的電能消耗。

　　二、LED區域照明電源架構及典型LED驅動方案

　　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區域照明應用中，一種常見的電源架構是“功率因數校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構。這種架構中，交流輸入電源經過功率因數校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓，提供給后面內置DC-DC降壓轉換電路的恒流LED模塊(見圖2)。這種架構的設計提供了能夠現場升級的模塊化途徑，可根據實際需求，靈活改變LED光條數量，從而增加或減小光輸出，滿足具體區域照明應用要求。這種架構下，交流-直流(AC-DC)轉換與LED驅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。

圖1 典型的模塊化LED區域照明電源架構示意圖

　　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-DC LED驅動器，如可以采用安森美半導體的CAT4201高能效降壓LED驅動器。CAT4201專門優化用于驅動大電流LED，采用具有專利的開關控制算法，提供高能效及精確的LED穩流(可達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標準照明系統。圖3顯示的是CAT4201的高壓LED驅動器配置，外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入：100 V輸入電壓時LED功率達30 W;50 V輸入時LED功率達13 W。

圖2 CAT4201高壓LED驅動器配置

　　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已經可以配合新的LED驅動器設計方法。領先的LED制造商已經推出支持更大電流及具備更高發光性能的新型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驅動器來直接驅動1 A到3 A的大電流。例如，可以采用安森美半導體的NCL30001功率因數校正TRIAC可調光LED驅動器。

　　NCL30001是一種整體式 /單段式的LED驅動方案，這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉換電路，并提供恒定電流來直接驅動LED。這種方案相當于將AC-DC轉換與LED 驅動兩部分電路整合在一起，均位于照明燈具內，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉換器。這種整體式方案的電源轉換段更少，減少元器件使用數量 (如光學元件、LED、電子元件及印制電路板等)、降低系統成本，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。

圖3 基于NCL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W LED驅動器演示板電路

　　這90 W恒壓恒流演示板接受90至265 Vac的擴展通用輸入電壓(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(可通過微幅調節電阻來選擇)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調光控制，并包含可連接至可選調光卡的6引腳接口，用于模擬電流調節/雙亮度等級數字調光等智能調光應用。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%負載條件下功率因數高于0.9，同時符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準。

圖4 基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驅動器演示板能效測試結果

　　3)用于更大功率區域照明應用的高能效LLC拓撲結構驅動電源

　　近年來，業界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃，期望在更大功率的50 W至250 W LED區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構，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓撲結構，從而充分發揮零電壓開關(ZVS)的優勢。

　　在這類要求超高能效的更大功率LED區域照明應用中，可以結合采用安森美半導體的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高壓浮動驅動器，支持50到500 kHz的高頻工作，內置高端和低端驅動器，支持可調節及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護特性。

圖5 基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案

　　三、增強LED串可靠性的保護方案

　　區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NUD4700 LED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1 A的大電流。