通用照明市场中的高亮度LED驱动挑战暨安森美半导体解决方案

近年来，随着绿色环保团体不断扩大节能环保界线，各个规范标准组织不断发布新的能效标准，同时，终端产品不断向更高集成度和更小尺寸的方向发展，降低能源消耗、提高能源使用效率已经成为全球众多国家的政府、行业组织、半导体公司、电子产品制造商及消费者所共同关注的一项焦点。

如果我们审视各个应用领域的电能消耗，根据预计，全球大约有19%的电能是用于照明。这部分的电能消耗比例相当可观，有鉴于此，业界不断致力于寻求面向通用照明市场的更加节能高效的照明解决方案。

通用照明市场的不同光源对比

从具体应用来看，通用照明市场涵盖的领域非常广泛，包括建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。在通用照明市场，目前常用的光源包括白炽灯、紧凑型荧光灯(CFL)、线性荧光灯、高强度气体放电灯(HID)以及新兴的高亮度发光二极管(HB LED)等。

如果我们基于能效基准对不同光源进行比较，那么用于衡量照明的一个重要指标便是总输出流明与输入功率比，以每瓦流明数(lm/W)来衡量，称作能效(efficacy)。在不同的照明解决方案中，白炽灯的能效相对较低。对于标准的60 W白炽灯而言，其能效范围介于10至13 lm/W之间(总输出为600至800 lm)。相对而言，CFL的能效要高得多，典型能效达55至60 lm/W。不过，CFL属于全方向照射，安装在灯具中时，光会被直射、反向或遮蔽，从而带来光损耗，使得55 lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50 lm/W之间。其它的光源，如HID也拥有着比白炽灯更高的能效，1款100 W金属卤素HID灯 大约可以产生8,000流明的 输出，即能效在80 lm/W；不过，象CFL一样，HID的光输出是全方向，在灯光投射路径上会有大量的损耗。

图1：不同光源的能效发展趋势对比。

相比较而言，LED是一种新兴的光源技术。最常见的白光LED是镀磷(激发时会发黄光)的蓝色LED。LED拥有着越来越高的能效，业界近期宣称的最强的白光LED研发能力达到了132至136 lm/W，色温达(4,500-6,000K)。实际上，近年来，业界在将LED用于通用照明市场的兴趣不断增加。对于通用照明而言，LED拥有众多具有吸引力的特性。例如，它本质上是一种低压器件，它们体积小巧，产生定向光，能够产生多种色彩以及白光。它们产生红外(IR)或紫外(UV)辐射，而且由于它们是固态器件，它们在机械上很强固并且不含汞，在恰当地设计和使用时能够具有超过5万小时的工作寿命周期。与寿命为1千小时的标准白炽灯相比，LED的寿命就要长得多。对于需要长时间连续工作、可能的用量有限、拥有很多极端应用环境的照明应用而言，或者是在地理上难于接近或故障停机成本高昂的应用中，LED的这些特性就特别具有吸引力。这样一来，高亮度LED已经在多种应用中开始替代白炽灯；其中白天可见的应用包括汽车中央停车警告灯和交通信号灯。

LED通用照明要求及LED驱动挑战

对于LED在通用照明中的应用，需要从系统的角度来分析其要求。总的来看，LED固态照明系统涉及以下要求：

LED光源：光源紧凑高效，提供宽广范围的色彩和输出功率
电源转换：将交流墙式插座、电池、太阳能电池的电源高效地转换至安全的低压直流电源
控制和驱动：采用电子电路对LED进行稳压和控制
热管理：为了实现更长的工作寿命，结点温度控制非常重要，需要分析散热
光学器件：将光聚焦至需要它的地方要求使用透镜或导光材料

在开发高能效的LED通用照明解决方案时，这几方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驱动是本文讨论的重点。对于LED驱动而言，它面临的主要挑战就在于LED的非线性。这主要体现在LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压会有差异，LED"色点"会随着电流和温度而漂移，而且LED必须在规范要求的范围内工作从而实现可靠工作。而LED驱动器的主要作用，就是在工作条件范围内限制电流，而无论输入条件和正向电压如何变化。图2显示的是LED驱动器的基本工作电路示意图。

图2：LED驱动器的基本工作电路示意

对于LED驱动电路而言，除了进行恒流稳流，还面临着其它一些关键要求。例如，如果需要LED调光，则需要提供脉宽调制(PWM)技术，而用于LED调光的典型PWM频率是1至3 kHz。此外，LED驱动电路的功率处理能力必须充足，且功能强固，可以承受多种故障条件，并且要易于实现。值得一提的是，由于LED在最适宜电流时始终处于"导通"状态，所以其色彩不会漂移。

由于系统中需要使用的LED数量常常不止一个，这就涉及到对LED进行配置的问题。一般而言，强烈建议驱动单串LED，因为这样能够提供最佳的电流匹配，而与正向电压变化或输出电压"漂移"无关。当然，用户也可以并联或串联、并联交叉连接等方式来配置LED。如果采用并联配置，电路就需要"匹配的"LED正向电压；如果某个LED失效开路，其它LED可能会被过驱动。相应地，采用多路并联或串联、并联交叉连接技术，可用于尝试减轻发生故障的风险。

LED驱动应用示例

根据具体应用的不同，LED可能会采用不同的电源来供电，如交流线路、太阳能板、12 V汽车电池、直流电源或低压交流系统，甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。

1)采用交流离线电源为LED供电
在采用交流离线电源为LED供电的应用中，涉及到众多不同的应用场合，如电子镇流器、荧光灯替代、交通信号灯、LED灯泡、街道和停车照明、建筑物照明、障碍灯和标志等。在这些从交流主电源驱动大功率LED的应用中，有两种常见的电源转换技术，即在需要电流隔离(galvanic isolation)时使用反激转换器，或在不需要隔离时使用较为简单的降压拓扑结构。

在反激转换器方面，根据输出功率的不同，可以采用安森美半导体的不同反激转换器。例如，安森美半导体的NCP1013适合于功率高达5 W(电流为350 mA、700 mA或1 A)的紧凑型设计应用，NCP1014/1028可以提供高达8 W的连续输出功率，而NCP1351则适合于大于15 W的较大功率通用应用。

以NCP1014/1028为例，这是安森美半导体推出的离线式PWM开关稳压器，具有集成的700 V高压MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc变压器设计及700 mA/17 Vdc配置，输入电压范围为90至265 Vac，具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(EMI)信号以及内置热关闭保护等特性，适合于LED镇流器、建筑物照明、显示器背光、标志和通道照明及作业灯等应用。NCP1014/1028的应用设计示意图如下面的图3所示。值得一提的是，这设计具有开路输出保护功能，会在开路时将输出钳位至24 V电压。在这设计中，电流和开路电压能够通过简单地改变电阻/齐纳二极管组合来调整。值得一提的是，如果针对230 Vac交流线路使用另一种可选变压器，则NCP1014能够提供高达19 W的功率，NCP1028能够提供高达25 W的功率。

图3：安森美半导体离线式第二代LED驱动器NCP1014/1028的应用示意图

在照明应用中，如果输出功率要求高于25 W，LED驱动器则面临着功率因数校正(PFC)的问题。例如，欧盟的国际电工委员会(IEC)针对照明(功率大于25 W)的要求中具有针对总谐波失真(THD)的规定。而在美国，能源部"能源之星"项目固态照明标准中对PFC带有强制性要求(而无论是何种功率等级)，即针对住宅应用部分要求功率因数高于0.7，而针对商业应用部分要求功率因数高于0.9。这标准属于自愿遵守的标准，并非强制性要求，但有些应用可能需要良好的功率因数。例如，公营事业机构将推动LED的大规模应用，应用在公用设施级别的LED可望拥有较高功率因数；而且公营事业机构拥有或提供LED街灯服务时，LED是否具有较高功率因数(通常大于0.95)取决于公营事业机构的意愿，如果他们愿意，则相应的LED驱动解决方案必须满足这方面的要求。

在这类可能需要采用PFC控制器的应用中，传统的解决方案是PFC控制器+PWM控制器的两段式方案。这种方案支持模块化，且认证简单，但在总体能效方面会有折衷，如假设交流-直流(AC-DC)段的能效为87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效为85%至90%，则总能效仅为74%至81%。随着LED技术的持续改进，这种架构预计将转化为更加优化、更高能效的方案。根据要求的不同，有多种可供选择的方案，如：PFC+非隔离降压、PFC+非隔离反激或半桥LLC、NCP1651/NCP1652单段式PFC方案。

图4：需要PFC的LED驱动应用中不同架构对比

另一方面，如上所述，在不需要隔离的应用中，可以采用较为简单的降压拓扑结构，这种结构所使用的电感比变压器小得多，而且只需要很少的元件来实现这种解决方案。这种架构采用的是峰值电流控制(PCC)模式，工作在深度连续导电模式(CCM)。这种架构具有多种优势，如可以消除使用大电解输出电容、具有"良好"稳流的简单控制原理，以及能够充分利用安森美半导体的动态自供电(DSS)技术能力来直接从交流线路为驱动器供电。

图5显示的是安森美半导体NCP1216 PWM电流模式控制器的应用设计示意图。
它充分利用高压工艺技术的优势，从交流主电源直接为控制器供电，进一步简化了电路。这设计适合120 Vac条件，若要用于230 Vac条件，则需要变更少许元件，如功率FET和电容。由于这是一种非隔离型AC-DC设计，所以存在高压。而且这是一项浮动设计，IC和LED并非对地参考。在对器件进行供电之前，LED必须连接至电路板。

图5：采用峰值电流控制的NCP1216非隔离型离线式LED驱动应用

对于这类降压控制方式而言，当控制的LED数量减少时，它的一项局限就会出现，因为这时占空比会变得极窄。而且开关控制器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路。在这种情况下，必须降低开关频率来适应正常操作，并通过半波整流输入电路将电压保持在最低值。在这种方法中，基本架构能够通过元件修改来轻易扩展，从而也能驱动更长的LED串。

2)采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电
有一系列高亮度LED应用工作在8至40 VDC范围的电源，这些电源包括铅酸电池、
12-36 VDC适配器、太阳能电池以及低压的12 和24 VAC交流系统。这类的照明应用众多，如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明，以及陈列柜照明等。

表1：宽输入范围的DC-DC LED应用

即使目标是采用恒定电流驱动LED，首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化。LED的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定。凭借这些信息，就可以选择恰当的线性或开关电源拓扑结构，如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器，它集成1.5 A开关，可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40 V，具有235 mV的低反馈电压，工作频率可调节，最高250 kHz。其它特性包括：能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。

图6：安森美半导体NCP3065在LED恒流降压控制应用中的示意图

半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器，它集成1.5 A开关，可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40 V，具有235 mV的低反馈电压，工作频率可调节，最高250 kHz。其它特性包括：能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。

为LED提供保护
如前所述，LED是一种使用寿命极长的光源(可长达5万小时)。除了需要针对具体的LED应用选择适合的LED驱动解决方案，还需要为LED提供适当的保护，因为偶尔LED也会失效。其原因多种多样，可能是因为LED早期失效，也可能是因为局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效。必须对这些可能的失效提供预防措施，特别是因为某些应用属于关键应用(故障停机成本高)，或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等)，或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等。

在这方面，可以采用安森美半导体的NUD4700 LED分流保护解决方案。图7是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。

在LED正常工作时，泄漏电流仅为近100 μA；而在遭遇瞬态或浪涌条件时，LED就会开路，这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活，所带来的压降仅为1.0 V，将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装，设计用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V)，如果散热处理恰当，也支持大于1 A电流的操作。

总结：
相较于白炽灯等传统光源，LED具有能效高、寿命长、指向性好等众多优势，越来越受业界青睐用于通用照明市场。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，需要从系统的角度去考虑，如光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等。本文以LED驱动为重点，分析了通用照明市场中LED驱动面临的挑战，并结合安森美半导体的高性能LED驱动解决方案，探讨了不同的LED驱动应用示例，如通过交流隔离电源为LED供电和通过宽输入范围DC-DC电源为LED供电等；最后，还介绍了能够用于需要高可靠性和持续性的LED应用中的安森美半导体LED分流保护解决方案。