照明市場(chǎng)中的高亮度LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

圖1：不同光源的能效發(fā)展趨勢(shì)對(duì)比

　　相比較而言，LED是一種新興的光源技術(shù)。最常見的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)黃光)的藍(lán)色LED。LED擁有著越來越高的能效，業(yè)界近期宣稱的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W，色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上，近年來，業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對(duì)于通用照明而言，LED擁有眾多具有吸引力的特性。例如，它本質(zhì)上是一種低壓器件，它們體積小巧，產(chǎn)生定向光，能夠產(chǎn)生多種色彩以及白光。它們產(chǎn)生紅外(IR)或紫外(UV)輻射，而且由于它們是固態(tài)器件，它們?cè)跈C(jī)械上很強(qiáng)固并且不含汞，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和使用時(shí)能夠具有超過5萬(wàn)小時(shí)的工作壽命周期。與壽命為1千小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈相比，LED的壽命就要長(zhǎng)得多。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、可能的用量有限、擁有很多極端應(yīng)用環(huán)境的照明應(yīng)用而言，或者是在地理上難于接近或故障停機(jī)成本高昂的應(yīng)用中，LED的這些特性就特別具有吸引力。這樣一來，高亮度LED已經(jīng)在多種應(yīng)用中開始替代白熾燈；其中白天可見的應(yīng)用包括汽車中央停車警告燈和交通信號(hào)燈。

　LED通用照明要求及LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

　　對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來分析其要求?？偟膩砜?，LED固態(tài)照明系統(tǒng)涉及以下要求：

　　#215; LED光源：光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率
　　#215; 電源轉(zhuǎn)換：將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源
　　#215; 控制和驅(qū)動(dòng)：采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制
　　#215; 熱管理：為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命，結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱
　　#215; 光學(xué)器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或?qū)Ч獠牧?BR>
　　在開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案時(shí)，這幾方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驅(qū)動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。圖2顯示的是LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。

圖2：LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意

　　對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，則需要提供脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，由于LED在最適宜電流時(shí)始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，所以其色彩不會(huì)漂移。

　　由于系統(tǒng)中需要使用的LED數(shù)量常常不止一個(gè)，這就涉及到對(duì)LED進(jìn)行配置的問題。一般而言，強(qiáng)烈建議驅(qū)動(dòng)單串LED，因?yàn)檫@樣能夠提供最佳的電流匹配，而與正向電壓變化或輸出電壓“漂移”無(wú)關(guān)。當(dāng)然，用戶也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來配置LED。如果采用并聯(lián)配置，電路就需要“匹配的”LED正向電壓；如果某個(gè)LED失效開路，其它LED可能會(huì)被過驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地，采用多路并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接技術(shù)，可用于嘗試減輕發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

　　LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例

　　根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

　　1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電

　　在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。

　　以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖如下面的圖3所示。值得一提的是，這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能，會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計(jì)中，電流和開路電壓能夠通過簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來調(diào)整。值得一提的是，如果針對(duì)230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。

圖3：安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖

圖4：需要PFC的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中不同架構(gòu)對(duì)比

　　在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡(jiǎn)單，但在總體能效方面會(huì)有折衷，如