高效能驅(qū)動(dòng)LED照明發(fā)展趨勢

以一款典型的100 W白熾燈為例，其中約有95 W的電能轉(zhuǎn)化為熱量，剩余的僅5 W電能轉(zhuǎn)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(lì)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(dāng)于白熾燈的約1/5)。

　　這些傳統(tǒng)節(jié)能燈中包含劇毒化學(xué)物質(zhì)汞，對環(huán)境有不良影響。另一方面，高亮度發(fā)光二極管二極管

　　二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個(gè)方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

(HB-LED)近年來在光輸出、能效(efficacy)及成本等方面全面改善，同時(shí)結(jié)合小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，正在照明領(lǐng)域掀起革命。

　　LED照明進(jìn)入各領(lǐng)域，應(yīng)用將更普及

　　如今，在屏幕尺寸小于4英寸的手機(jī)、相機(jī)閃光等移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用中，及路邊及體育場中大型顯示屏應(yīng)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(lǐng)域邁進(jìn)。如在汽車應(yīng)用中，LED照明占據(jù)約15%的份額。而在較大液晶顯示屏液晶顯示屏

(LCD)背光

　　屏幕的背景光。常被用于LCD顯示上，其光源可能是白熾燈泡、電光面板(ELP)、發(fā)光二極管(LED)、冷陰極管(CCFL)等。電光面板提供整個(gè)表面均勻的光，而其他的背光模組則使用散光器從不均勻的光源中來提供均勻的光線。 　　背光可以是任何一種顏色，單色液晶通常有黃、綠、藍(lán)、白等背光。而彩色顯示采用白色白光，因其涵蓋最多色光。

應(yīng)用中，雖然冷陰極熒光燈(CCFL)如今仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但LED照明的總滲透率也達(dá)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(yīng)用中，據(jù)Laurent Jenck指出，預(yù)計(jì)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(yīng)用的滲透比例

　　安森美半導(dǎo)體在電源管理及高能效方案具備專長及優(yōu)勢 ，故能發(fā)揮其在電源能效方面的領(lǐng)先實(shí)力，提供專用LED驅(qū)動(dòng)器用于便攜、消費(fèi)、工業(yè)和汽車等市場，并且固態(tài)照明方案符合或超越世界各地的規(guī)范要求，即如GreenPoint參考設(shè)計(jì)電源般。

　　相比較而言，LED照明在燈泡、嵌燈、街道及區(qū)域照明、任務(wù)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(lǐng)域的滲透比例還偏低，目前小于2%，遠(yuǎn)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(yīng)用潛力。例如，安森美半導(dǎo)體對從零售商店購得的一款鹵素臺(tái)燈(采用35 W燈泡)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，原鹵素?zé)糁袩o電子組件，僅含1個(gè)較重的60 Hz變壓器,變壓器（Transformer）是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。這鹵素?zé)粼?20 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(shè)計(jì)的臺(tái)燈采用LED模塊，燈底部采用安森美半導(dǎo)體NCP1014自供電單片式開關(guān),開關(guān)是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見到開關(guān)。 穩(wěn)壓器，在120 Vac條件下輸入功率為10.9 W，即能耗僅相當(dāng)于鹵素?zé)舻?/4；同時(shí)，這LED臺(tái)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?zé)簦?2.9流明/瓦(lm/W)的能效(efficacy)更是數(shù)倍于鹵素?zé)?17.8 lm/W)。

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

　　世界各地的規(guī)范機(jī)構(gòu)也在積極制定和發(fā)布相關(guān)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(yīng)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(fù)責(zé)能效標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院正牽頭準(zhǔn)備在來年研究中國的LED照明能效標(biāo)準(zhǔn)。

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

　　由于LED照明應(yīng)用前景廣闊，要促進(jìn)它的不斷發(fā)展，必須針對不同的LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)方案。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供寬范圍、高能效及創(chuàng)新和強(qiáng)固的LED照明方案。

　　不論是電池

　　如在電池供電的移動(dòng)設(shè)備背光應(yīng)用中，可以采用不同的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)，如線性電流驅(qū)動(dòng)器、電感升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器、電荷泵型驅(qū)動(dòng)器等。這幾種驅(qū)動(dòng)技術(shù)各有其特點(diǎn)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(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)。如線性電流驅(qū)動(dòng)器簡單易用，無開關(guān)噪聲，而且外部元件數(shù)量極少，但這種驅(qū)動(dòng)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(guān)。電感升壓型開關(guān)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(dòng)器典型產(chǎn)品采用基于電容的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并集成線性驅(qū)動(dòng)器用于緊密電流匹配，具有高開關(guān)頻率，外部元件數(shù)量極少。

　　而在汽車應(yīng)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(dòng)器。例如，汽車中一個(gè)新的趨勢,是在電流常常僅數(shù)十毫安(mA)的組合尾燈應(yīng)用中以線性恒流穩(wěn)壓器來替代目前常用的是電阻,電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

型驅(qū)動(dòng)器。電阻型驅(qū)動(dòng)方案簡單且成本低，但能效極低，還面臨高壓時(shí)大電流應(yīng)力、LED編碼及熱失控等問題或挑戰(zhàn)。

　　有鑒于此，安森美半導(dǎo)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(dǎo)體正待批專利的自偏置晶體管晶體管

(SBT)技術(shù)，結(jié)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(dòng)器更高的能效及較高的穩(wěn)流精度，并更利于保護(hù)LED。

　　其它應(yīng)用，如建筑物照明中，同樣可以采用安森美半導(dǎo)體的高能效LED驅(qū)動(dòng)方案，如CAT4103、CAT4109三通道線性恒流驅(qū)動(dòng)器是高亮度RGB LED驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)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(dòng)器，適合較大尺寸的通用LCD背光應(yīng)用，能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)40個(gè)白光LED，提供總計(jì)達(dá)6 W的LED輸出功率，并幫助設(shè)計(jì)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(cè)光式LED背光為主，通常需要采用6個(gè)單串的LED光條(每串LED視為一個(gè)LED道)。

　　現(xiàn)有6通道側(cè)光式LED電視中每個(gè)LED通道均含有專用驅(qū)動(dòng)器IC、電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器及及開關(guān)。而安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于大尺寸側(cè)光式LED背光液晶電視的多通道線性LED驅(qū)動(dòng)器CAT4026是一種高性價(jià)比方案，支持高數(shù)量的通道，能以單顆IC控制6個(gè)LED通道，能效目標(biāo)范圍高于90%，能效典型值量多達(dá)94%，且針對 LED開路和過多LED短路等故障條件提供保護(hù)。CAT4026的簡略應(yīng)用示意圖參見圖2。

圖2：基于安森美半導(dǎo)體CAT4026的大尺寸LED背光液晶電視多通道線性側(cè)光方案

　　而在通用照明應(yīng)用方面，不同功率應(yīng)用同樣需要不同的LED驅(qū)動(dòng)方案。如在低功率應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000帶功率因數(shù)校正的離線式LED驅(qū)動(dòng)器，兼容TRIAC調(diào)光。這種驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn), 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(shí)，能效高于80%，典型能效高于83%，非常適合這類通用照明應(yīng)用。而在大功率的街道照明應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)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(dá)92%-93%，并降低電磁干擾。

　　總結(jié)

　　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(dòng)設(shè)備背光、相機(jī)閃光、大型顯示屏等專業(yè)細(xì)分應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展開來，邁進(jìn)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(zhǔn)這些應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員需要選擇高性能、高能效的LED照明驅(qū)動(dòng)方案。

　　安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供豐富的高能效LED驅(qū)動(dòng)器/穩(wěn)壓器選擇，滿足不同細(xì)分應(yīng)用、電流要求及功率等級的需求，并提供經(jīng)過測試的高能效GreenPoint參考設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。