安森美LED解决方案迎对高亮度LED照明驱动挑战

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。
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。
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。
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。
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、12V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(ON)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。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25W的功率。
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。
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1.5A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40V，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LED正常工作时，泄漏电流仅为近100μA；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1.0V，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1W LED(额定电流为350 mA@ 3V)，如果散热处理恰当，也支持大于1A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。