LED照明全方位滲透高能效驅(qū)動方案照亮前程

核心觀點：

1.LED照明進入各領域，但通用照明滲透率最低

2.LED通用照明可望在5年內(nèi)開始進入主流家庭應用

3.LED通用照明的普及類似于當年半導體產(chǎn)品的普及

4.不同功率應用需要不同的LED驅(qū)動方案

在當今電能需求與生產(chǎn)日趨失衡的條件下，最有效的因應途徑就是提升能效，即利用技術，以更少的電能來執(zhí)行相同的任務或功能。電能使用涉及眾多的領域，以常見的建筑物為例，據(jù)有關資料統(tǒng)計，美國建筑物總能耗中約有30%的能耗源自照明領域，而中國的估計也達到約11%至12%。由此看來，照明域的節(jié)能潛力巨大。

安森美半導體LED通用照明及電源營銷和系統(tǒng)工程總監(jiān)Laurent Jenck(鄭樂康)指出，以一款典型的100 W白熾燈為例，其中約有95 W的電能轉化為熱量，剩余的僅5 W電能轉化為光。因此，世界上許多國家都開始逐步淘汰一般的白熾燈，鼓勵使用節(jié)能燈。與白熾燈相比，緊湊型熒光燈(CFL)和線性熒光燈(LFL)等節(jié)能燈的能耗大幅下降(僅相當于白熾燈的約1/5)，但這些傳統(tǒng)節(jié)能燈中包含劇毒化學物質(zhì)汞，對環(huán)境有不良影響。另一方面，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)近年來在光輸出、能效(efficacy)及成本等方面全面改善，同時結合小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，正在照明領域掀起革命。

LED照明進侵各領域，應用將更普及

如今，在屏幕尺寸小于4英寸的手機、相機閃光等移動設備應用中，及路邊及體育場中大型顯示屏應用中，LED照明，或稱固態(tài)照明(SSL)，幾乎占據(jù)了100%的份額。除此之外，LED照明也向其它領域邁進。如在汽車應用中，LED照明占據(jù)約15%的份額。而在較大液晶顯示屏(LCD)背光應用中，雖然冷陰極熒光燈(CCFL)如今仍然占據(jù)主導地位，但LED照明的總滲透率也達到約20%，參見圖1。特別是在備受矚目的大尺寸液晶電視背光應用中，據(jù)Laurent Jenck指出，預計LED背光的液晶電視在未來3到4年間，將占據(jù)至50%的份額。

圖1：LED照明在各種應用的滲透比例

相比較而言，LED照明在燈泡、嵌燈、街道及區(qū)域照明、任務燈、景觀照明、商業(yè)建筑物照明及廣告牌文字電路照明等通用照明領域的滲透比例還偏低，目前小于2%，遠低于其它照明類型。但LED照明具有高能效等優(yōu)勢，讓其在通用照明市場也極具應用潛力。例如，安森美半導體對從零售商店購得的一款鹵素臺燈(采用35 W燈泡)進行重新設計，原鹵素燈中無電子組件，僅含1個較重的60 Hz變壓器。這鹵素燈在120 Vac條件下的輸入功率為41.7 W，在0.5米距離處測得的光亮度為744流明。重新設計的臺燈采用LED模塊，燈底部采用安森美半導體NCP1014自供電單片式開關穩(wěn)壓器，在120 Vac條件下輸入功率為10.9 W，即能耗僅相當于鹵素燈的1/4;同時，這LED臺燈在同等距離條件下測得的光亮度為795流明，更優(yōu)于鹵素燈，其72.9流明/瓦(lm/W)的能效(efficacy)更是數(shù)倍于鹵素燈(17.8 lm/W)。

當然，價格是LED照明在通用照明領域快速普及的一項制約因素。不過，安森美半導體的Laurent Jenck援引半導體的發(fā)展歷史指出，當半導體技術剛剛問世，其成本非常高昂以至于應用局限在美國軍方的對成本不敏感的應用中，如軍事衛(wèi)星;但隨著應用范圍的拓廣及應用的增多，半導體產(chǎn)品最后進入消費市場，廣泛應用于我們?nèi)粘９ぷ魃畹母鱾€角落。因此，隨著應用的增多，LED照明的價格/成本將可逐步趨向消費應用。Laurent Jenck預計，LED通用照明可望在5年內(nèi)開始進入主流家庭應用。

世界各地的規(guī)范機構也在積極制定和發(fā)布相關的LED照明能效規(guī)范。如美國“能源之星”的1.1版固態(tài)照明規(guī)范于2009年2月開始生效。這規(guī)范對聚光燈或戶外燈等不同產(chǎn)品的應用能效要求各不相同，并且包含功率因數(shù)要求。就中國而言，負責能效標準設定的中國標準化研究院正牽頭準備在來年研究中國的LED照明能效標準。

以寬范圍、高能效及創(chuàng)新的驅(qū)動方案促進LED照明發(fā)展

由于LED照明應用前景廣闊，要促進它的不斷發(fā)展，必須針對不同的LED照明應用選擇適合的驅(qū)動方案。如在電池供電的移動設備背光應用中，可以采用不同的LED驅(qū)動技術，如線性電流驅(qū)動器、電感升壓型開關穩(wěn)壓器、電荷泵型驅(qū)動器等。這幾種驅(qū)動技術各有其特點及要求，所以能配合客戶的需要為他們提供最適合其產(chǎn)品應用的LED驅(qū)動技術。如線性電流驅(qū)動器簡單易用，無開關噪聲，而且外部元件數(shù)量極少，但這種驅(qū)動器的正向電壓必須低于電池電壓，且能效與輸入電壓及LED正向電壓有關。電感升壓型開關穩(wěn)壓器的LED串電流匹配度極佳，且在電池線路電壓范圍內(nèi)具有極高能效，支持長串LED大功率/高壓工作。電荷泵型驅(qū)動器典型產(chǎn)品采用基于電容的開關拓撲結構，并集成線性驅(qū)動器用于緊密電流匹配，具有高開關頻率，外部元件數(shù)量極少。

而在汽車應用中，根據(jù)電流大小的不同，同樣需要采用不同的LED驅(qū)動器。例如，汽車中一個新的趨勢,是在電流常常僅數(shù)十毫安(mA)的組合尾燈應用中以線性恒流穩(wěn)壓器來替代目前常用的是電阻型驅(qū)動器。電阻型驅(qū)動方案簡單且成本低，但能效極低，還面臨高壓時大電流應力、LED編碼及熱失控等問題或挑戰(zhàn)。有鑒于此，安森美半導體推出了創(chuàng)新的雙端及三端型線性恒流穩(wěn)壓器(CCR)，它們采用安森美半導體正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術，結合公司在工藝控制方面的專長，提供低成本優(yōu)勢，支持寬電壓范圍，提供比電阻型驅(qū)動器更高的能效及較高的穩(wěn)流精度，并更利于保護LED。

其它應用，如建筑物照明中，同樣可以采用安森美半導體的高能效LED驅(qū)動方案，如CAT4103、CAT4109三通道線性恒流驅(qū)動器是高亮度RGB LED驅(qū)動器，應用于新興的高亮度、高視覺沖擊力LED建筑物照明中的RGB LED像素控制。而CAT4106是多通道升壓型LED驅(qū)動器，適合較大尺寸的通用LCD背光應用，能夠驅(qū)動多達40個白光LED，提供總計達6 W的LED輸出功率，并幫助設計人員提升背光能效至最高。此外，采用LED背光的大尺寸液晶電視日趨多，其中尤以側光式LED背光為主，通常需要采用6個單串的LED光條(每串LED視為一個LED道)。現(xiàn)有6通道側光式LED電視中每個LED通道均含有專用驅(qū)動器IC、電感型DC-DC升壓轉換器及及開關。而安森美半導體應用于大尺寸側光式LED背光液晶電視的多通道線性LED驅(qū)動器CAT4026是一種高性價比方案，支持高數(shù)量的通道，能以單顆IC控制6個LED通道，能效目標范圍高于90%，能效典型值量多達94%，且針對 LED開路和過多LED短路等故障條件提供保護。CAT4026的簡略應用示意圖參見圖2。

圖2：基于安森美半導體CAT4026的大尺寸LED背光液晶電視多通道線性側光方案

而在通用照明應用方面，不同功率應用同樣需要不同的LED驅(qū)動方案。如在低功率應用中，可以采用安森美半導體的NCL30000帶功率因數(shù)校正的離線式LED驅(qū)動器，兼容TRIAC調(diào)光。這種驅(qū)動器直接驅(qū)動LED，并帶緊密的恒流輸出穩(wěn)流;功率因數(shù)高于0.9，符合IEC C類諧波含量標準, 超出“能源之星”的規(guī)范;處于5至15 W的低輸出功率電平時，能效高于80%，典型能效高于83%，非常適合這類通用照明應用。而在大功率的街道照明應用中，可以采用安森美半導體的NCP1607 PFC控制器加NCP1397諧振半橋控制器這樣的整體式方案，能效達92%-93%，并降低電磁干擾。

總結：

隨著LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善，LED照明正從小尺寸移動設備背光、相機閃光、大型顯示屏等專業(yè)細分應用進一步擴展開來，邁進汽車照明、較大LCD背光甚至通用照明市場，前景備受看好。瞄準這些應用的設計人員需要選擇高性能、高能效的LED照明驅(qū)動方案。