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近年來，隨著綠色環保團體不斷擴大節能環保界線，各個規范標準組織不斷發布新的能效標準，同時，終端產品不斷向更高集成度和更小尺寸的方向發展，降低能源消耗、提高能源使用效率已經成為全球眾多國家的政府、行業組織、半導體公司、電子產品制造商及消費者所共同關注的一項焦點。 通用照明市場的不同光源對比 從具體應用來看，通用照明市場涵蓋的領域非常廣泛，包括建筑物照明、標志、景觀照明、零售、信號燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場，目前常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發光二極管(HB LED)等。 如果我們基于能效基準對不同光源進行比較，那么用于衡量照明的一個重要指標便是總輸出流明與輸入功率比，以每瓦流明數(lm/W)來衡量，稱作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中，白熾燈的能效相對較低。對于標準的60 W白熾燈而言，其能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對而言，CFL的能效要高得多，典型能效達55至60 lm/W。不過，CFL屬于全方向照射，安裝在燈具中時，光會被直射、反向或遮蔽，從而帶來光損耗，使得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HID也擁有著比白熾燈更高的能效，1款100 W金屬鹵素HID燈大約可以產生8,000流明的輸出，即能效在80 lm/W；不過，象CFL一樣，HID的光輸出是全方向，在燈光投射路徑上會有大量的損耗。 相比較而言，LED是一種新興的光源技術。最常見的白光LED是鍍磷(激發時會發黃光)的藍色LED。LED擁有著越來越高的能效，業界近期宣稱的最強的白光LED研發能力達到了132至136 lm/W，色溫達(4,500-6,000K)。實際上，近年來，業界在將LED用于通用照明市場的興趣不斷增加。對于通用照明而言，LED擁有眾多具有吸引力的特性。 LED通用照明要求及LED驅動挑戰 對于LED在通用照明中的應用，需要從系統的角度來分析其要求�？偟膩砜矗琇ED固態照明系統涉及以下要求： ·LED光源：光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率 ·電源轉換：將交流墻式插座、電池、太陽能電池的電源高效地轉換至安全的低壓直流電源 ·控制和驅動：采用電子電路對LED進行穩壓和控制 ·熱管理：為了實現更長的工作壽命，結點溫度控制非常重要，需要分析散熱 ·光學器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或導光材料 在開發高能效的LED通用照明解決方案時，這幾方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驅動是本文討論的重點。對于LED驅動而言，它面臨的主要挑戰就在于LED的非線性。這主要體現在LED的正向電壓會隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會有差異，LED“色點”會隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規范要求的范圍內工作從而實現可靠工作。而LED驅動器的主要作用，就是在工作條件范圍內限制電流，而無論輸入條件和正向電壓如何變化。 對于LED驅動電路而言，除了進行恒流穩流，還面臨著其它一些關鍵要求。例如，如果需要LED調光，則需要提供脈寬調制(PWM)技術，而用于LED調光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅動電路的功率處理能力必須充足，且功能強固，可以承受多種故障條件，并且要易于實現。值得一提的是，由于LED在最適宜電流時始終處于“導通”狀態，所以其色彩不會漂移。 由于系統中需要使用的LED數量常常不止一個，這就涉及到對LED進行配置的問題。一般而言，強烈建議驅動單串LED，因為這樣能夠提供最佳的電流匹配，而與正向電壓變化或輸出電壓“漂移”無關。當然，用戶也可以并聯或串聯、并聯交叉連接等方式來配置LED。如果采用并聯配置，電路就需要“匹配的”LED正向電壓；如果某個LED失效開路，其它LED可能會被過驅動。相應地，采用多路并聯或串聯、并聯交叉連接技術，可用于嘗試減輕發生故障的風險。 LED驅動應用示例 根據具體應用的不同，LED可能會采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12V汽車電池、直流電源或低壓交流系統，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。 1)采用交流離線電源為LED供電 在采用交流離線電源為LED供電的應用中，涉及到眾多不同的應用場合，如電子鎮流器、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、障礙燈和標志等。在這些從交流主電源驅動大功率LED的應用中，有兩種常見的電源轉換技術，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時使用反激轉換器，或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓撲結構。 在反激轉換器方面，根據輸出功率的不同，可以采用安森美半導體的不同反激轉換器。例如，安森美半導體的NCP1013適合于功率高達5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設計應用，NCP1014/1028可以提供高達8 W的連續輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應用。 以NCP1014/1028為例，這是安森美半導體推出的離線式PWM開關穩壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設計及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、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關閉保護等特性，適合于LED鎮流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業燈等應用。值得一提的是，這設計具有開路輸出保護功能，會在開路時將輸出鉗位至24 V電壓。在這設計中，電流和開路電壓能夠通過簡單地改變電阻/齊納二極管組合來調整。值得一提的是，如果針對230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達19 W的功率，NCP1028能夠提供高達25W的功率。 2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電 有一系列高亮度LED應用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12和24 VAC交流系統。這類的照明應用眾多，如活動式照明、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。 即使目標是采用恒定電流驅動LED，首先要理解的事件就是應用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結溫度范圍、驅動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當的線性或開關電源拓撲結構，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5A開關，可以設置成降壓、升壓、反轉(降壓-升壓)/單端初級電感轉換器(SEPIC)等多種拓撲結構。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調節，最高250 kHz。其它特性包括：能進行逐周期電流限制、不需要控制環路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數字PWM調光能力、發生磁滯時內部熱關閉等。 為LED提供保護 如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源(可長達5萬小時)。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動解決方案，還需要為LED提供適當的保護，因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣，可能是因為LED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施，特別是因為某些應用屬于關鍵應用(故障停機成本高)，或是安全攸關的應用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等)，或是在地理上難于接近的應用(維護困難)等。 在LED正常工作時，泄漏電流僅為近100μA；而在遭遇瞬態或浪涌條件時，LED就會開路，這時NUD4700分流保護器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節省空間的小型封裝，設計用于1W LED(額定電流為350 mA@ 3V)，如果散熱處理恰當，也支持大于1A電流的操作。 總結 相較于白熾燈等傳統光源，LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優勢，越來越受業界青睞用于通用照明市場。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求，需要從系統的角度去考慮，如光源、電源轉換、LED控制和驅動、散熱和光學等。本文以LED驅動為重點，分析了通用照明市場中LED驅動面臨的挑戰，并結合安森美半導體的高性能LED驅動解決方案，探討了不同的LED驅動應用示例，如通過交流隔離電源為LED供電和通過寬輸入范圍DC-DC電源為LED供電等；最后，還介紹了能夠用于需要高可靠性和持續性的LED應用中的安森美半導體LED分流保護解決方案。 |
