配合通用照明趋势的高能效LED驱动器设计方案 - 全文

　　0 引言

　　照明用电是全球能耗的一项重要来源。据推算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。在各种照明灯具中，历史悠久但能效较低的白炽灯的应用仍然非常广泛，如果限制低能效光源的使用、同时大力地推广及应用更高能效及环保的光源，将利于节能。

　　因此，包括中国在内，世界上多个国家制定政策，分阶段淘汰白炽灯泡。如中国计划于2015年60W 以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。荧光灯及紧凑型荧光灯（CFL）的能效比白炽灯高，在市场上已经应用多年。但荧光灯含剧毒物质汞，所引发的环保顾虑越来越多。

　　相比较而言，LED在发光效率等各方面的性能不断提升，还兼具环保及长寿命特性，越来越受重视。实际上，LED筒灯和改装灯泡已经拥有比白炽灯、卤素灯或CFL等现在照明技术更高的能效。而在成本方面，研究发现，与2010年相比，LED的价格已经加速下降（每年下降13%至24%），预计未来几年仍会持续下降，将帮助降低LED灯泡及灯具的成本。

　　因此，世界各国纷纷看好及推动LED照明产业的发展。例如，中国国家发改委发布《半导体照明节能产业规划》，规划到2015年LED功能性照明产品市场占有率达20%以上，LED照明节能产业产值年增长30%左右，2015年产值达4，500亿元（折合720亿美元）。

　　1 通用照明应用及发展前景

　　LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏（LCD）背光及LED标牌等领域外，如今也在越来越多地用于LED汽车内部/外部照明，如前照灯、雾灯、尾灯、停车灯、仪表盘背光、车顶灯、阅读灯和氛围灯等，以及住宅照明和建筑物装饰照明等LED通用照明。

　　LED通用照明应用覆盖宽广功率范围，低至3 W到15 W的LED住宅照明，中等功率有如15 W至75 W的商业及建筑物装饰性照明，高至75 W到250 W的户外及基础设施照明，典型照明产品有如MR16/GU10灯、E27/A19灯泡、镇流器、筒灯、T8灯管、街灯等。

　　

　　图1：典型LED通用照明应用

　　LED通用照明应用极具发展前景。各种LED通用照明灯具中，近期来看，LED灯泡（如A19 LED灯泡）的发展势头惊人。据统计，2012年全球LED灯泡出货量达7.35亿只，2013年预计将增长到12.25亿只；预计到2014年将迎来 LED灯泡市场的引爆点，届时LED灯泡价格将会降至10美元以下，出货量预计较2013年增长约85%，达22.70亿只；而到2015年出货量将进一步增长至39亿只。

　　2 高能效驱动器是LED通用照明设计的重点

　　要将LED照明的节能功能发挥至最高，就需要高能效的LED驱动器。我们以LED灯泡为例，典型的 LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件，见图2的左半部分。就驱动电路而言，高能效LED驱动器IC无疑是其中的重点。图2的右半部分显示了典型的LED灯泡驱动电路，其中使用的是典型的独立式LED驱动器。

　　

　　图2:a）典型LED灯泡剖视图（左图）；b）典型LED灯泡驱动电路（右图）

　　要发挥LED通用照明的高能效优势，LED驱动器存在多重挑战。首先就是能效至关重要。以LED灯泡为例，其形状固定，散热受限，采用高能效LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。其次，LED灯泡空间有限，需要更大的散热片面积，较大功率的灯泡尤为如此。此外，LED正在迅速变化，提供多种选择，这对LED驱动器的选择也构成了挑战。由于LED灯泡空间有限，故须减小驱动电子电路的尺寸以使剩余空间增多，配合散热。LED通用照明涵盖不同功率等级，故须优化LED驱动器选择，以配合不同照明及功率要求。出于安规、LED选择等因素，设计人员还须考虑是采用隔离还是非隔离拓扑结构，由此也影响到LED驱动器的选择。

　　3 LED通用照明的驱动器系统设计方案

　　安森美半导体积极推动高能效创新，包括LED照明在内的高能效电子创新，涉及LED照明的众多细分市场，如前文提到的移动设备、LCD背光、LED标牌、汽车及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半导体在照明市场的重点。在LED通用照明市场，安森美半导体的策略是充分利用公司宽广阵容的模拟电源IC、分立器件及先进微封装，提供与众不同的高能效LED驱动器方案。

　　安森美半导体提供覆盖涵盖宽广功率范围及不同拓扑结构的LED驱动器方案。安森美半导体能用于低功率LED通用照明应用的驱动器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是单段式功率因数校正（PFC）、支持TRIAC调光的LED驱动器，采用次级端控制器，支持反激/降压/降压-升压等拓扑结构。NCL30002也是单段式功率因数校正 LED驱动器，支持降压拓扑结构，提供±3%的电流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和 NCL30083等器件，是新推出的高能效准谐振控制器，用于低功率LED照明应用。

　　值得一提的是，NCL3008x系列采用初级端稳流（Primary Side Regulation）技术（也称初级端控制或原边控制）这种新颖的控制方法，省去次级端控制电路及光耦，能够精确地从初级端对LED电流进行恒流稳流，帮助简化PCB布线、节省电路板空间、提升能效，并简化安全分析（见图3左）。此外，它还具有高稳流精度、支持宽正向压降（Vf）范围、低电磁干扰（EMI）及集成强固保护特性等众多优势。这系列器件提供0.8至0.9的功率因数，符合美国“能源之星”对功率大于5 W的LED灯泡在功率因数方面的要求（PF>0.7）。

　　

　　图3:a） NCL3008x新颖的初级端控制技术（左）；

　　b）基于NCL3008x的A19灯泡参考设计（右）

　　安森美半导体还开发了基于NCL30082的紧凑型A19 LED灯泡的参考设计（见图2右侧）。这参考设计优化用于隔离反激或非隔离降压-升压拓扑结构，优化用于10 W LED照明应用。它采用谷底填充PFC来满足“能源之星”功率因数高于0.7的要求。PCB及元件的尺寸目标是22 x 60 mm柱体。测试显示，此参考设计提供高能效、高功率因数及高稳流精度。

　　而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半导体同样提供丰富的产品组合，满足客户不同应用需求。其中既包含单段式及组合控制器，也包含传统的两段式（PFC段 + DC-DC段）控制器，覆盖从15 W至400 W的宽广功率范围，如图4所示。

　　

　　图4：应用于中大功率LED通用照明的驱动器

　　从图4中可以看出，在中等功率LED通用照明应用中，可以采用NCL30000及NCL30001 这样的单段式功率因数校正LED控制器；而在功率更大的应用中，可以采用NCL30051和NCP1910这样的高能效组合控制器。以NCL30051为例，这是一款功率因数校正（PFC）及谐振半桥组合控制器，优化用于离线LED照明应用，能够为降压DC-DC转换器/LED驱动器提供恒定电压。这器件集成了一个临界导电模式（CrM） PFC控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600 V驱动器，针对离线电源应用进行了优化，具备了所有实现高能效、小外形因数设计所需的特性。

　　除了上述单段式方案，设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式（PFC段 + DC-DC转换段）方案。具体而言，PFC段可选用的控制器包括NCP1653、NCP1631、NCP1611/NCP1612及NCP1608等。其中，NCP1611/2是增强型高能效PFC控制器，基于创新的电流控制频率反走（CCFF）架构，在PFC电感电流超过设定值时，电路通常工作在临界导电模式（CrM），而当电流低于预设值时，将开关频率线性降低至约20 kHz，此时电流为零。CCFF架构同时将额定负载工作能效和轻载能效提升至最高，特别是将待机损耗降至最低等典型应用包括可用于平板电视、一体式计算机和大功率电源适配器，以及LED照明电源及驱动器、可调光荧光灯镇流器等。

　　在DC-DC段，可以选用的器件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了这些器件，安森美半导体还在开发更多的新产器，满足客户的更宽应用需求。

　　4 智能LED照明的优势及发展预测

　　正在兴起的LED智能照明是LED通用照明市场的另一个重点，也是重要发展方向。所谓“智能照明”，往往结合了智能可调光LED驱动器、无线接收器、红外接收器、环境光传感器及无源红外占用情况传感器等。

　　

　　图5：智能LED照明集成了多种新功能

　　LED智能照明将使LED更易于控制及调光。LED智能照明电子电路中将增强多种新功能，如结合占用情况传感器或环境光传感器来配合调光控制及省电等。例如，内置占用情况传感器可用于检测及确定照明区域是否有人，一般用于房间入口或出口，能够进行安全地照明控制及省电。这类传感器大多数使用的是无源红外（Ir）传感器，其它的传感器选择包括超声波及运动传感器等。

　　此外，电子电路中采用硅光电传感器，可用于不同应用，如测量环境光以采集日光，以及用于感测灯具光输出来进行LED照明控制等。典型的环境光传感器有如安森美半导体带线性输出的NOA1211/2及带双输出的NOA1305等。环境光传感器配合户外（黄昏/黎明）及室内（日光采集）调光，因而节能。透过闭环控制LED光源，可以调节不同温度及时间条件下的特定光输出。此外，带LED输出光反馈的恒定光输出调节能节省及延长驱动器使用寿命。

　　

　　图6：环境光传感器能够配合LED智能照明应用

　　智能照明也将更灵活，可以使用低能耗的无线接口，如IrDA红外、Zigbee及低能耗蓝牙（Bluetooth LE），无需改变开关或线缆。但这要求无线控制标准就位，如Zigbee Light Link等。

　　LED驱动器IC要配合LED“智能”照明，其设计必须能够轻易地配合模拟及数字（即PWM）调光。例如，安森美半导体的NCL30082 LED控制器配合智能调光接口，能以单个控制引脚进行模拟调光、数字调光，或是同时进行模拟与数字调光，提供0至100%的宽调光范围。这器件易于连接模拟传感器或微控制器（MCU）通用输入/输出端口（GPIO），增强了设计灵活性。

　　在这些技术的配合下，智能LED灯泡及LED模块即将出现。通过结合标准化的无线控制技术、以太网及因特网，人们有望使用智能手机远程控制LED灯泡。新的方案还能解决热管理、光学及模块化/替代问题。预计商业/工业细分市场将带领智能照明方案的采用。

　　5 总结

　　在环保大潮及各种政策法规的推动下，LED照明正在迅速发展。要充分利用LED通用照明的高能效优势，使用高能效的LED驱动器必不可少。本文介绍了通用照明LED驱动器面临的挑战，以及安森美半导体克服这些挑战、应用于不同LED通用照明应用的 LED驱动器方案。安森美半导体提供阵容广博、相辅相成的方案，包括配合智能调光的LED驱动器及相关传感器等，帮助推动及迎接LED智能照明时代的来临。