安森美LED区域照明应用设计

　　随着人们节能环保意识的日渐增强，业界越来越关注能源消耗对环境的影响。在各种能源消耗途径中，据统计，有高达20%至22%的电能用于照明。提高照明应用的能源使用效率乃至进一步降低其能源消耗，有助于减少二氧化碳排放，造就更加绿色环保的世界。因此，高能效照明正在成为业界竞逐的一个焦点。

　　从应用领域来看，照明涵盖住宅照明、工业照明、街道照明和餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看，除了低功率照明，也包括大功率区域照明，典型应用如柱灯、洗墙灯、外墙灯、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明，以及低顶灯、高顶灯、冻柜/冰箱及停车库等室内照明。

　　大功率区域照明存在不少挑战，如灯具可能难以接近、光源发生故障时可能带来安全问题、户外存在多种极端环境条件等。此外，不容忽视的是，应用于大功率区域照明的现有光源（如金属卤素灯、高压钠灯、线性荧光灯及紧凑型荧光灯）存在着不少局限，如高压钠灯的显色性差（CRI约为22），金属卤素灯的典型灯具损耗较高（40%）且其从启动到发光至完整亮度经历的时间可能长达10分钟，线性荧光灯的冷温度性能差，紧凑型荧光灯的启动速度也较慢。

　　另一方面，随着高亮度白光发光二极管（LED）在性能和成本等方面持续改进，越来越多地用于大功率区域照明，并提供传统光源不具备的优势，如发出每流明光所消耗的电能更少、方向控制性更好、色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低维护成本及总体拥有成本。

　　一、LED区域照明应用要求

　　LED驱动器的主要功能就是在多种条件下限流，并要保护LED免受浪涌及其它故障条件影响，以及提供某种等级的安全性，避免（电气和/或机械方式的）震动及着火。对于区域照明应用而言，室外环境会给LED驱动器带来温度挑战，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比标准电压更高的交流输入电压。

　　区域照明应用的LED驱动器可能还需要符合某些有关功率因数或谐波含量的规范标准。如欧盟的国际电工联盟（IEC）的IEC61000-3-2标准对功率超过25 W的照明设备（C类）的谐波含量提出了要求，相当于总谐波失真（THD）低于35%；但符合IEC61000-3-2 C类谐波含量要求并不必然表示功率因数（PF）高于0.9。而某些市场（如美国）通常要求PF高于0.9及THD低于20%。

　　很多区域照明应用都在室外，可能会经受各种严格温度条件，从而使总体使用寿命受到影响。而总体系统设计对使用寿命有重要影响，故使用内部发热较少、损耗更低的高能效LED驱动器非常重要，而且在设计中要对驱动器与LED热源进行热隔离，从而增强系统可靠性。

图1 智能双亮度等级LED街道照明示例

　　LED照明的控制也可以变得更加智能化。传统街灯以定时器或环境光传感器来自主控制。而利用电力线通信（PLC）或无线控制技术，可以提供高度灵活的LED区域照明控制，如基于时间的光输出等级集中控制、基于车流量传感器的发光等级控制，以及根据检测人、车活动来调控市中心照明，兼顾步行车及街道照明。LED智能控制技术在节省电能之余，还不会损及安全性。典型应用有如智能双亮度等级照明，如公园、加油站顶棚、停车场所、楼梯及电冰箱箱体照明都支持根据需要来调整亮度等级的照明。LED能够即时导通及关闭，能够在这些应用中方便地根据动作或活动来调节照明等级，如在未检测到活动时提供20%-40%的亮度等级，而在检测到活动时提供100%亮度的照明。这样就利于大量节省额外的电能消耗。

　　二、LED区域照明电源架构及典型LED驱动方案

　　1）适合线性灯、线槽灯等应用的分布式/模块化方案

　　大功率LED区域照明应用中，一种常见的电源架构是"功率因数校正（PFC）+恒压（CV）+恒流（CC）"的三段式架构。这种架构中，交流输入电源经过功率因数校正和隔离型直流-直流（DC-DC）转换后，输出24至80 Vdc的固定电压，提供给后面内置DC-DC降压转换电路的恒流LED模块（见图2）。这种架构的设计提供了能够现场升级的模块化途径，可根据实际需求，灵活改变LED光条数量，从而增加或减小光输出，满足具体区域照明应用要求。这种架构下，交流-直流（AC-DC）转换与LED驱动电路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既简化安全考虑又增强系统灵活性，也称作分布式方案，典型应用包括线性灯及线槽灯等。

图2 典型的模块化LED区域照明电源架构示意图

在这种模块化途径下，一项设计能够扩展用于多种光输出等级。而且随着LED光输出性能增强，LED模块要提供相同光输出等级，所需采用的灯条就更好。而每个灯条都设有一个专用的DC-DC LED驱动器，如可以采用安森美半导体的CAT4201高能效降压LED驱动器。CAT4201专门优化用于驱动大电流LED，采用具有专利的开关控制算法，提供高能效及精确的LED稳流（可达350 mA）。CAT4201可采用最高36 V的电源电压供电，并兼容于12 V和24 V标准照明系统。图3显示的是CAT4201的高压LED驱动器配置，外围的N沟道MOSFET支持高压输入：100 V输入电压时LED功率达30 W；50 V输入时LED功率达13 W。

图3 CAT4201高压LED驱动器配置

2）适合洗墙灯、外墙灯等应用的整体式/单段式方案

　　并不是所有的区域照明应用都要求采用分布式/模块化方案。随着白光LED性能的快速提升，新型LED已经可以配合新的LED驱动器设计方法。领先的LED制造商已经推出支持更大电流及具备更高发光性能的新型LED，如Cree的XP-G系列LED（正向压降为3.3 V）在1 A电流时可提供330流明光输出，Seoul Semiconductor的P7系列LED（正向压降为3.3 V）在1.4 A时可提供400 流明光输出。在这种条件下，可以配置新颖的LED驱动器来直接驱动1 A到3 A的大电流。例如，可以采用安森美半导体的NCL30001功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器。

　　NCL30001是一种整体式/单段式的LED驱动方案，这种方案集成了PFC和隔离型DC-DC转换电路，并提供恒定电流来直接驱动LED。这种方案相当于将AC-DC转换与LED驱动两部分电路整合在一起，均位于照明灯具内，省下了LED光条中集成的线性或DC-DC转换器。这种整体式方案的电源转换段更少，减少元器件使用数量（如光学元件、LED、电子元件及印制电路板等）、降低系统成本，并支持更高的LED电源总体能效。当然，这种方案的功率密度更高，可能并不适合所有区域照明应用，其光学图案可能更适合较低功率的LED，典型应用包括LED街灯、外墙灯、洗墙灯及电冰箱箱体照明等。

图4 基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W LED驱动器演示板电路

　　这90 W恒压恒流演示板接受90至265 Vac的扩展通用输入电压（更换元件条件下可支持305 Vac），提供0.7 A至1.5 A的恒定电流输出范围（可通过微幅调节电阻来选择）及30 V至55 V的恒定输出电压范围（可通过电阻分压器来选择），最大输出功率90 W，支持50至1,000 Hz调光控制，并包含可连接至可选调光卡的6引脚接口，用于模拟电流调节/双亮度等级数字调光等智能调光应用。此外，这演示板还提供短路保护、开路保护、过温保护、过流保护及过压保护等丰富保护特性。测试显示，这演示板在50 W输出功率、1,000 mA输出电压/48 V正向压降条件的能效高于87%（详见表1），在50%至100%负载条件下功率因数高于0.9，同时符合IEC61000-3-2 C类设备谐波含量标准。

图5 基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驱动器演示板能效测试结果

　　3）用于更大功率区域照明应用的高能效LLC拓扑结构驱动电源

　　近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在更大功率的50 W至250 W LED区域照明应用中提供高能效（如高于90%）。要提供这样高的能效，需要采用高能效的电源拓扑结构，如谐振半桥双电感加单电容（LLC）拓扑结构，从而充分发挥零电压开关（ZVS）的优势。

　　在这类要求超高能效的更大功率LED区域照明应用中，可以结合采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器和NCP1397双电感加单电容（LLC）半桥谐振控制器，用于功率在50到300 W范围的高能效LED街道照明应用。NCP1397是最新高性能谐振模式LLC控制器，集成了600 V高压浮动驱动器，支持50到500 kHz的高频工作，内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。

图6 基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED电源方案

　　三、增强LED串可靠性的保护方案

　　区域照明应用中通常会采用多串LED。虽然LED本身可靠性高，但若LED串中的某个LED开路，那么整串LED就可能关闭，而街道照明等应用中要避免这种状况，从而降低后期维护成本。安森美半导体推出了NUD4700 LED电流旁路保护器。这器件是一款分流器件，万一LED串中某个LED开路，则会提供电流旁路，确保在某个LED故障的条件下整串LED不会关闭；而且恰当处理散热的话，还可支持大于1 A的大电流。

　　四、 总结

　　安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商，为LED区域照明应用提供各种不同的解决方案，如用于分布式/模块化电源架构的CAT4201降压LED驱动器、用于整体式电源架构的NCL30001单段式高功率因数LED对口，以及应用于大功率LED区域照明的NCP1607 PFC控制器及NCP1397谐振半桥LLC控制器方案，满足客户不同的应用需求。安森美半导体还提供基于AMIS-49587电力线通信（PLC）调制解调器等产品的联网型LED街灯控制方案，以及相关的MOSFET、整流器、滤波器和保护产品等，为用户提供丰富选择，帮助他们缩短设计周期，加快产品上市。