照明市场中的高亮度LED驱动挑战

　　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。




　　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。



　　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。
　　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。

　　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。