高能效、更智能的LED驅(qū)動(dòng)器方案

因此，包括中國(guó)在內(nèi)，世界上多個(gè)國(guó)家制定政策，分階段淘汰白熾燈泡。如中國(guó)計(jì)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(chǎng)上已經(jīng)應(yīng)用多年。但熒光燈含劇毒物質(zhì)汞，所引發(fā)的環(huán)保顧慮越來(lái)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(zhǎng)壽命特性，越來(lái)越受重視。實(shí)際上，LED筒燈和改裝燈泡已經(jīng)擁有比白熾燈、鹵素?zé)艋駽FL等現(xiàn)在照明技術(shù)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(jià)格已經(jīng)加速下降(每年下降13%至24%)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年仍會(huì)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(guó)紛紛看好及推動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《半導(dǎo)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(chǎng)占有率達(dá)20%以上，LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長(zhǎng)30%左右，2015年產(chǎn)值達(dá)4,500億元(折合720億美元)。

LED通用照明應(yīng)用及發(fā)展前景

LED除了廣泛應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備、中大尺寸液晶顯示屏(LCD)背光及LED標(biāo)牌等領(lǐng)域外，如今也在越來(lái)越多地用于LED汽車(chē)內(nèi)部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車(chē)燈、儀表盤(pán)背光、車(chē)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(yīng)用覆蓋寬廣功率范圍，低至3W到15W的LED住宅照明，中等功率有如15W至75W的商業(yè)及建筑物裝飾性照明，高至75W到250W的戶(hù)外及基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用

LED通用照明應(yīng)用極具發(fā)展前景。各種LED通用照明燈具中，近期來(lái)看，LED燈泡(如A19 LED燈泡)的發(fā)展勢(shì)頭驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球LED燈泡出貨量達(dá)7.35億只，2013年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到12.25億只；預(yù)計(jì)到2014年將迎來(lái)LED燈泡市場(chǎng)的引爆點(diǎn)，屆時(shí)LED燈泡價(jià)格將會(huì)降至10美元以下，出貨量預(yù)計(jì)較2013年增長(zhǎng)約85%，達(dá)22.70億只；而到2015年出貨量將進(jìn)一步增長(zhǎng)至39億只。

高能效驅(qū)動(dòng)器是LED通用照明的重點(diǎn)

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(qū)動(dòng)器。我們以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅(qū)動(dòng)電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件，見(jiàn)圖2的左半部分。就驅(qū)動(dòng)電路而言，高能效LED驅(qū)動(dòng)器IC無(wú)疑是其中的重點(diǎn)。圖2的右半部分顯示了典型的LED燈泡驅(qū)動(dòng)電路，其中使用的是典型的獨(dú)立式LED驅(qū)動(dòng)器。

圖2：(a)典型LED燈泡剖視圖(左圖)；(b)典型LED燈泡驅(qū)動(dòng)電路(右圖)

要發(fā)揮LED通用照明的高能效優(yōu)勢(shì)，LED驅(qū)動(dòng)器存在多重挑戰(zhàn)。首先就是能效至關(guān)重要。以LED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅(qū)動(dòng)器則可幫助將更多電能轉(zhuǎn)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(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的選擇也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。由于LED燈泡空間有限，故須減小驅(qū)動(dòng)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(jí)，故須優(yōu)化LED驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此也影響到LED驅(qū)動(dòng)器的選擇。

安森美半導(dǎo)體配合LED通用照明的驅(qū)動(dòng)器方案

安森美半導(dǎo)體積極推動(dòng)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(xì)分市場(chǎng)，如前文提到的移動(dòng)設(shè)備、LCD背光、LED標(biāo)牌、汽車(chē)及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半導(dǎo)體在照明市場(chǎng)的重點(diǎn)。在LED通用照明市場(chǎng)，安森美半導(dǎo)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(jìn)微封裝，提供與眾不同的高能效LED驅(qū)動(dòng)器方案。

安森美半導(dǎo)體提供覆蓋涵蓋寬廣功率范圍及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器方案。安森美半導(dǎo)體能用于低功率LED通用照明應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)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(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器，采用次級(jí)端控制器，支持反激/降壓/降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCL30002也是單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器，支持降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(zhǔn)諧振控制器，用于低功率LED照明應(yīng)用。

值得一提的是，NCL3008x系列采用初級(jí)端穩(wěn)流(Primary Side Regulation)技術(shù)(也稱(chēng)初級(jí)端控制或原邊控制)這種新穎的控制方法，省去次級(jí)端控制電路及光耦，能夠精確地從初級(jí)端對(duì)LED電流進(jìn)行恒流穩(wěn)流，幫助簡(jiǎn)化PCB布線、節(jié)省電路板空間、提升能效，并簡(jiǎn)化安全分析(見(jiàn)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(qiáng)固保護(hù)特性等眾多優(yōu)勢(shì)。這系列器件提供0.8至0.9的功率因數(shù)，符合美國(guó)“能源之星”對(duì)功率大于5W的LED燈泡在功率因數(shù)方面的要求(PF>0.7)。

圖3：(a) NCL3008x新穎的初級(jí)端控制技術(shù)(左)；(b) 基于NCL3008x的A19燈泡參考設(shè)計(jì)(右)

安森美半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了基于NCL30082的緊湊型A19 LED燈泡的參考設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2右側(cè))。這參考設(shè)計(jì)優(yōu)化用于隔離反激或非隔離降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化用于10W LED照明應(yīng)用。它采用谷底填充PFC來(lái)滿(mǎn)足“能源之星”功率因數(shù)高于0.7的要求。PCB及元件的尺寸目標(biāo)是22x60mm柱體。測(cè)試顯示，此參考設(shè)計(jì)提供高能效、高功率因數(shù)及高穩(wěn)流精度。

而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半導(dǎo)體同樣提供豐富的產(chǎn)品組合，滿(mǎn)足客戶(hù)不同應(yīng)用需求。其中既包含單段式及組合控制器，也包含傳統(tǒng)的兩段式(PFC段+DC-DC段)控制器，覆蓋從15W至400W的寬廣功率范圍，如圖4所示。

圖4：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于中大功率LED通用照明的驅(qū)動(dòng)器

從圖4中可以看出，在中等功率LED通用照明應(yīng)用中，可以采用NCL30000及NCL30001這樣的單段式功率因數(shù)校正LED控制器；而在功率更大的應(yīng)用中，可以采用NCL30051和NCP1910這樣的高能效組合控制器。以NCL30051為例，這是一款功率因數(shù)校正(PFC)及諧振半橋組合控制器，優(yōu)化用于離線LED照明應(yīng)用，能夠?yàn)榻祲篋C-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動(dòng)器提供恒定電壓。這器件集成了一個(gè)臨界導(dǎo)電模式(CrM) PFC控制器及一個(gè)半橋諧振控制器，并內(nèi)置600V驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)離線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具備了所有實(shí)現(xiàn)高能效、小外形因數(shù)設(shè)計(jì)所需的特性。

除了上述單段式方案，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式(PFC段+DC-DC轉(zhuǎn)換段)方案。具體而言，PFC段可選用的控制器包括NCP1653、NCP1631、NCP1611/NCP1612及NCP1608等。其中，NCP1611/2是增強(qiáng)型高能效PFC控制器，基于創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)，在PFC電感電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電路通常工作在臨界導(dǎo)電模式(CrM)，而當(dāng)電流低于預(yù)設(shè)值時(shí)，將開(kāi)關(guān)頻率線性降低至約20kHz，此時(shí)電流為零。CCFF架構(gòu)同時(shí)將額定負(fù)載工作能效和輕載能效提升至最高，特別是將待機(jī)損耗降至最低等典型應(yīng)用包括可用于平板電視、一體式計(jì)算機(jī)和大功率電源適配器，以及LED照明電源及驅(qū)動(dòng)器、可調(diào)光熒光燈鎮(zhèn)流器等。

在DC-DC段，可以選用的器件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了這些器件，安森美半導(dǎo)體還在開(kāi)發(fā)更多的新產(chǎn)器，滿(mǎn)足客戶(hù)的更寬應(yīng)用需求。

智能LED照明的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展預(yù)測(cè)

正在興起的LED智能照明是LED通用照明市場(chǎng)的另一個(gè)重點(diǎn)，也是重要發(fā)展方向。所謂“智能照明”，往往結(jié)合了智能可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線接收器、紅外接收器、環(huán)境光傳感器及無(wú)源紅外占用情況傳感器等。

圖5：智能LED照明集成了多種新功能

LED智能照明將使LED更易于控制及調(diào)光。LED智能照明電子電路中將增強(qiáng)多種新功能，如結(jié)合占用情況傳感器或環(huán)境光傳感器來(lái)配合調(diào)光控制及省電等。例如，內(nèi)置占用情況傳感器可用于檢測(cè)及確