基于配合通用照明趨勢的高能效LED驅動器設計方案

照明用電是全球能耗的一項重要來源。據(jù)推算，中國照明用電約占全社會用電量的12%左右。在各種照明燈具中，歷史悠久但能效較低的白熾燈的應用仍然非常廣泛，如果限制低能效光源的使用、同時大力地推廣及應用更高能效及環(huán)保的光源，將利于節(jié)能。

因此，包括中國在內(nèi)，世界上多個國家制定政策，分階段淘汰白熾燈泡。如中國計劃于2015年60W 以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。熒光燈及緊湊型熒光燈(CFL)的能效比白熾燈高，在市場上已經(jīng)應用多年。但熒光燈含劇毒物質汞，所引發(fā)的環(huán)保顧慮越來越多。

相比較而言，LED在發(fā)光效率等各方面的性能不斷提升，還兼具環(huán)保及長壽命特性，越來越受重視。實際上，LED筒燈和改裝燈泡已經(jīng)擁有比白熾燈、鹵素燈或CFL等現(xiàn)在照明技術更高的能效。而在成本方面，研究發(fā)現(xiàn)，與2010年相比，LED的價格已經(jīng)加速下降(每年下降13%至24%)，預計未來幾年仍會持續(xù)下降，將幫助降低LED燈泡及燈具的成本。

因此，世界各國紛紛看好及推動LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國國家發(fā)改委發(fā)布《半導體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，規(guī)劃到2015年LED功能性照明產(chǎn)品市場占有率達20%以上，LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長30%左右，2015年產(chǎn)值達4,500億元(折合720億美元)。

1 通用照明應用及發(fā)展前景

LED除了廣泛應用移動設備、中大尺寸液晶顯示屏(LCD)背光及LED標牌等領域外，如今也在越來越多地用于LED汽車內(nèi)部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車燈、儀表盤背光、車頂燈、閱讀燈和氛圍燈等，以及住宅照明和建筑物裝飾照明等LED通用照明。

LED通用照明應用覆蓋寬廣功率范圍，低至3 W到15 W的LED住宅照明，中等功率有如15 W至75 W的商業(yè)及建筑物裝飾性照明，高至75 W到250 W的戶外及基礎設施照明，典型照明產(chǎn)品有如MR16/GU10燈、E27/A19燈泡、鎮(zhèn)流器、筒燈、T8燈管、街燈等。

圖1:典型LED通用照明應用

LED通用照明應用極具發(fā)展前景。各種LED通用照明燈具中，近期來看，LED燈泡(如A19 LED燈泡)的發(fā)展勢頭驚人。據(jù)統(tǒng)計，2012年全球LED燈泡出貨量達7.35億只，2013年預計將增長到12.25億只;預計到2014年將迎來LED燈泡市場的引爆點，屆時LED燈泡價格將會降至10美元以下，出貨量預計較2013年增長約85%,達22.70億只;而到2015年出貨量將進一步增長至39億只。

2 高能效驅動器是LED通用照明設計的重點

要將LED照明的節(jié)能功能發(fā)揮至最高，就需要高能效的LED驅動器。我們以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅動電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件，見圖2的左半部分。就驅動電路而言，高能效LED驅動器IC無疑是其中的重點。圖2的右半部分顯示了典型的LED燈泡驅動電路，其中使用的是典型的獨立式LED驅動器。

圖2:a)典型LED燈泡剖視圖(左圖);b)典型LED燈泡驅動電路(右圖)

要發(fā)揮LED通用照明的高能效優(yōu)勢，LED驅動器存在多重挑戰(zhàn)。首先就是能效至關重要。以LED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅動器則可幫助將更多電能轉化為光能，幫助散熱。其次，LED燈泡空間有限，需要更大的散熱片面積，較大功率的燈泡尤為如此。此外，LED正在迅速變化，提供多種選擇，這對LED驅動器的選擇也構成了挑戰(zhàn)。由于LED燈泡空間有限，故須減小驅動電子電路的尺寸以使剩余空間增多，配合散熱。LED通用照明涵蓋不同功率等級，故須優(yōu)化LED驅動器選擇，以配合不同照明及功率要求。出于安規(guī)、LED選擇等因素，設計人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓撲結構，由此也影響到LED驅動器的選擇。

3 LED通用照明的驅動器系統(tǒng)設計方案

安森美半導體積極推動高能效創(chuàng)新，包括LED照明在內(nèi)的高能效電子創(chuàng)新，涉及LED照明的眾多細分市場，如前文提到的移動設備、LCD背光、LED標牌、汽車及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半導體在照明市場的重點。在LED通用照明市場，安森美半導體的策略是充分利用公司寬廣陣容的模擬電源IC、分立器件及先進微封裝，提供與眾不同的高能效LED驅動器方案。

安森美半導體提供覆蓋涵蓋寬廣功率范圍及不同拓撲結構的LED驅動器方案。安森美半導體能用于低功率LED通用照明應用的驅動器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是單段式功率因數(shù)校正(PFC)、支持TRIAC調光的LED驅動器，采用次級端控制器，支持反激/降壓/降壓-升壓等拓撲結構。NCL30002也是單段式功率因數(shù)校正LED驅動器，支持降壓拓撲結構，提供±3%的電流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083等器件，是新推出的高能效準諧振控制器，用于低功率LED照明應用。

值得一提的是，NCL3008x系列采用初級端穩(wěn)流(Primary Side Regulation)技術(也稱初級端控制或原邊控制)這種新穎的控制方法，省去次級端控制電路及光耦，能夠精確地從初級端對LED電流進行恒流穩(wěn)流，幫助簡化PCB布線、節(jié)省電路板空間、提升能效，并簡化安全分析(見圖3左)。此外，它還具有高穩(wěn)流精度、支持寬正向壓降(Vf)范圍、低電磁干擾(EMI)及集成強固保護特性等眾多優(yōu)