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          低功率LED通用照明設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)暨安森美半導(dǎo)體高能效方

          作者: 時(shí)間:2011-04-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          近年來,照明已經(jīng)成為世界各國(guó)推動(dòng)節(jié)能環(huán)保所瞄準(zhǔn)的一個(gè)重要領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年約有20%的電能用于照明,這些電能中又有約40%用于低效的白熾燈照明。而隨在光輸出性能、成本等幾乎各個(gè)方面的持續(xù)改進(jìn),已經(jīng)成為白熾燈等傳統(tǒng)照明的一種極引人注目的替代解決方案。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/200682.htm

          典型的應(yīng)用包括電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺(tái)燈、櫥柜內(nèi)照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等。LED街燈的功率較高,一般在50 W至300 W之間;LED建筑物及區(qū)域照明應(yīng)用的功率一般在40 W到125 W之間,屬于中等功率范圍;30 W以下的可統(tǒng)稱作LED照明應(yīng)用,包括特定指向照明,如櫥柜內(nèi)照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺(tái)燈等,以及全向照明,如重點(diǎn)照明、家電、A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將重點(diǎn)探討30 W以下功率的LED通用照明應(yīng)用,以及相應(yīng)的高能效方案。

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          圖1:常見LED照明應(yīng)用。

          低功率LED照明應(yīng)用選擇驅(qū)動(dòng)器須考慮的因素
          LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能,就是在工作條件范圍下限制電流,而無論輸入及輸出條件如何變化。其應(yīng)用設(shè)計(jì)面臨多種限制條件,如高能效(低損耗)、高性價(jià)比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標(biāo)準(zhǔn)、可改造用于已有應(yīng)用及能采用傳統(tǒng)控制方式工作等。

          要為低功率LED應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)器并不容易,需要顧及不同的因素。例如,商業(yè)和住宅市場(chǎng)對(duì)LED燈具在工作溫度、使用時(shí)長(zhǎng)、性能及“能源之星”等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面的要求并不相同。此外,燈泡替代應(yīng)用也存在著獨(dú)特挑戰(zhàn),如LED電源及驅(qū)動(dòng)器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。

          就LED通用照明適用的標(biāo)準(zhǔn)而言,主要有美國(guó)“能源之星”要求的功率因數(shù)校正(PFC)標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)總諧波失真的限制標(biāo)準(zhǔn)。其中,“能源之星”V1版燈具標(biāo)準(zhǔn)要求LED照明燈具具備PFC,適用于嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈等特定產(chǎn)品,但與功率電平無關(guān)。這標(biāo)準(zhǔn)要求住宅應(yīng)用的功率因數(shù)(PF)高于0.7,而商業(yè)應(yīng)用高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)是自愿性標(biāo)準(zhǔn),將于2011年9月實(shí)施。而“能源之星”的1.1版整體式LED燈泡標(biāo)準(zhǔn)已于2010年8月生效,要求輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)高于0.7。

          如前所述,為低功率LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)器須考慮眾多因素,這其中,有關(guān)功率因數(shù)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。接下來,我們以的相關(guān)產(chǎn)品為例,探討如何在低功率照明應(yīng)用中提供高功率因數(shù)。

          改善低功率LED住宅照明應(yīng)用能效的方案
          以住宅照明的臺(tái)燈和櫥柜燈等應(yīng)用為例,功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應(yīng)用最適合采用隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)離線反激電源轉(zhuǎn)換器在開關(guān)穩(wěn)壓器前面采用全波整流橋及大電容,這種配置的功率利用率或輸入線路波形的PF較低,僅在0.5至0.6的范圍。

          這就要引入PFC。如可在反激轉(zhuǎn)換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC,能提供高于0.98的PF,但增加了元件數(shù)量及復(fù)雜性,且最適合的功率遠(yuǎn)高于本應(yīng)用要求。無源PFC方案眾多,可改善PF,但通常都使用較多額外元件,增加成本及電路板占用空間,并降低可靠性。

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          圖2:改善了功率因數(shù)的NCP1014應(yīng)用電路圖。

          實(shí)際上,高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流,且要求線路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步就是在開關(guān)段前獲得極低電容,從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓,產(chǎn)生更合意的正弦輸入電流,反激轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形,功率因數(shù)就高。的NCP1014自供電單片開關(guān)穩(wěn)壓器采用固定頻率工作,電流不能上升到高于某個(gè)特定點(diǎn);這個(gè)點(diǎn)由輸入電壓及開關(guān)周期或?qū)щ姇r(shí)間結(jié)束前的初級(jí)電感來確定。由于導(dǎo)電時(shí)間的限制,輸入電流將跟隨輸入電壓的波形,從而提供更高的功率因數(shù)。

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          圖3:基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數(shù)。

          應(yīng)對(duì)更高功率因數(shù)及TRIAC調(diào)光挑戰(zhàn)的方案
          要針對(duì)低功率LED照明應(yīng)用提供高于0.9的功率因數(shù)及低總諧波失真,以適合商業(yè)應(yīng)用要求,就有必要使用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種情況下,傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。相應(yīng)的,我們可以使用基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的單段式CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段,幫助減少元器件數(shù)量,降低系統(tǒng)總成本,并提供高功率因數(shù)。圖4顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化功能框圖。

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          圖4:基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint?參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化框圖。

          值得一提的是,與前述針對(duì)住宅應(yīng)用使用開關(guān)穩(wěn)壓器(內(nèi)置FET等旁路元件)的方案不同,我們?cè)卺槍?duì)商業(yè)照明的應(yīng)用中使用的是寬動(dòng)態(tài)范圍的精確導(dǎo)通時(shí)間控制器方案NCL30000。設(shè)計(jì)中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實(shí)現(xiàn)折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線等。基于NCL3000構(gòu)建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測(cè)試顯示,功率因數(shù)遠(yuǎn)高于0.9,部分輸入電壓條件下功率因數(shù)甚至高于0.95(見圖5),能效也極高(參見參考資料2)。

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          圖5:基于NCL30000的演示板PF及THD測(cè)試結(jié)果。


          此外,TRIAC調(diào)光器應(yīng)用廣泛,故LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是兼容TRIAC調(diào)光這樣的已有調(diào)光技術(shù),因?yàn)門RIAC調(diào)光器設(shè)計(jì)針對(duì)的是電阻型負(fù)載的白熾燈泡(功率因數(shù)約為1),。有利的是,基于NCL30000的設(shè)計(jì)提供極高的功率因數(shù),輕松符合商業(yè)應(yīng)用的功率因數(shù)要求。且用示波器截取的波形顯示,優(yōu)化設(shè)計(jì)的NCL30000單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相,輸入電流波形看上去象是電阻型負(fù)載的波形,能夠兼容TRIAC調(diào)光。

          為了支持客戶在低功率LED商業(yè)照明應(yīng)用中應(yīng)用NCL30000 PFC控制器,安森美半導(dǎo)體提供設(shè)計(jì)目標(biāo)功率低于18 W、旨在以350 mA電流驅(qū)動(dòng)4到15顆LED的三款NCL30000評(píng)估演示電路板,分別是NCL30000LED1GEVB(輸入電壓90至135 Vac,TRIAC可調(diào)光)、NCL30000LED2GEVB(輸入電壓180至265 Vac,TRIAC可調(diào)光)及NCL30000LED3GEVB (輸入電壓90至305 Vac)。當(dāng)然,客戶可能需要支持更大功率及更大電流的選擇。這時(shí)候就需要優(yōu)化變壓器及輸出整流器和電容等關(guān)鍵元器件,并將輸出繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)方式。而且有利的是,NCL30000作為控制器方案,支持寬功率范圍。

          后續(xù)方案展望
          LED在通用照明中替代白熾燈泡的應(yīng)用前景極為廣闊,但仍有不少挑戰(zhàn)有待解決。A型燈、E26、E27等傳統(tǒng)白熾燈包含不同功率等級(jí),如40 W白熾燈一般提供約450流明(lm)的光輸出。如今一流暖白光LED的光效約為100 lm/W,考慮到熱效應(yīng)及光電轉(zhuǎn)換效率問題,要提供450 lm光輸出,大約需要5到7顆LED,而將這些LED裝配在燈泡內(nèi)存在著空間及性能方面的挑戰(zhàn)。有利的是,安森美半導(dǎo)體正在開發(fā)相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)器方案。

          此外,在上述方案中,NCL30000用于隔離型高功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際上,這器件也可配置為非隔離型降壓或降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

          總結(jié):
          為低功率LED通用照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)器方案需要顧及跟應(yīng)用相關(guān)的多種因素,如空間、能效、環(huán)境條件及兼容的調(diào)光技術(shù)等。本文以安森美半導(dǎo)體的NCP1014單片開關(guān)穩(wěn)壓器及NCL30000功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器為例,重點(diǎn)探討如何應(yīng)對(duì)低功率住宅及商業(yè)LED照明應(yīng)用針對(duì)功率因數(shù)要求等方面的挑戰(zhàn),分享了這些方案的相關(guān)能效測(cè)試結(jié)果,顯示它們非常適合用于設(shè)計(jì)滿足“能源之星”等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)要求的低功率照明應(yīng)用。這兩款產(chǎn)品僅是安森美半導(dǎo)體寬范圍LED驅(qū)動(dòng)器方案的少數(shù)示例,客戶利用這些高能效、高性能LED驅(qū)動(dòng)器方案,輔以安森美半導(dǎo)體提供的GreenPoint?網(wǎng)上設(shè)計(jì)仿真工具,能夠縮短設(shè)計(jì)周期,加快產(chǎn)品上市。



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