安森美半導(dǎo)體先進LED驅(qū)動器解決方案分析

如今，高亮度LED在光輸出、能效及成本方面得到了全面改善，同時具備了小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬。未來，LED照明在通用照明、LCD背光、汽車照明等領(lǐng)域的增長前景尤為可觀。安森美半導(dǎo)體提供豐富的LED驅(qū)動器產(chǎn)品，可滿足各種LED照明應(yīng)用需求。本文將重點介紹安森美半導(dǎo)體在各個照明細分市場的應(yīng)用方案，幫助照明設(shè)計工程師選擇合適的方案，加快產(chǎn)品上市進程。

通用照明方案

在節(jié)能環(huán)保趨勢下，LED照明已成為眾多規(guī)范機構(gòu)的目標，如美國能源部“能源之星”計劃的1.1版固態(tài)照明標準已于2009年2月生效，中國標準化研究院據(jù)悉也準備在2010年發(fā)布中國版本的LED照明能效標準。

以電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內(nèi)照明)、景觀照明、廣告牌文字、建筑物照明等通用照明市場為例，估計當前LED照明應(yīng)用比例不足1%，市場規(guī)模也相對較小，但預(yù)計到2012年，LED驅(qū)動器及相關(guān)分立器件的市場規(guī)模將從2008年的約6.88億美元增長至13.08億美元，年復(fù)合增長率高達17.4%。

安森美半導(dǎo)體有適用于不同功率AC-DC供電的LED通用照明方案，覆蓋寬廣的功率范圍。

1)1 W至8 W方案

1 W至8 W的低功率LED通用照明應(yīng)用包括G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應(yīng)用的輸入電壓范圍在交流90至264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA兩種，能效要求為80%，還要求提供短路和過壓保護等特性。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開關(guān)控制IC。該器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V的高壓MOSFET，具備構(gòu)建強固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點及動態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。NCP1015既可用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，見圖1。

圖1：基于NCP1015的1 W至8 W隔離型(a)及非隔離型(b)LED照明方案。

值得一提的是，“能源之星”新版固態(tài)照明標準的一個重要特點是要求多種住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)最低達到0.7。這類LED照明應(yīng)用的功率一般在1 W至12 W，最適宜采用隔離型反激電源拓撲結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)有標準設(shè)計技術(shù)的功率因數(shù)通常不到0.6。要改善功率因數(shù)，輕松符合“能源之星”要求，可結(jié)合優(yōu)化的NCP1014LEDGTGEVB評估板，采用安森美半導(dǎo)體的離線型8 W LED驅(qū)動器參考設(shè)計。

安森美半導(dǎo)體的NCP1014LEDGTGEVB評估板可驅(qū)動1至8顆大功率高亮度LED。該設(shè)計基于集成了帶內(nèi)部限流功能的高壓電源開關(guān)的緊湊型固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器NCP1014構(gòu)建。由于NCP1014采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個特定點；導(dǎo)通時間的限制使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)。評估板電路圖見圖2。

圖2：NCP1014LEDGTGEVB電路圖。

2)8 W至25 W方案(無PFC及有PFC)

在8 W至25 W AC-DC LED照明應(yīng)用中，一種方案不要求功率因數(shù)校正(PFC)，另一種需要符合“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定的強PFC要求。該標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，商業(yè)應(yīng)用須大于0.9。

不需要PFC的8 W至25 W AC-DC LED照明的典型應(yīng)用如PAR30、PAR38和嵌燈。這類應(yīng)用的輸入電壓要求為85至135 Vac或185至264Vac，能效要求大于80%，提供短路保護及開路保護等特性，恒流輸出電流為350 mA、700 mA及1 A等。為此，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351。NCP1028是一款增強型單片開關(guān)控制IC，提供800 mA峰值電流，還提供過功率保護、內(nèi)置斜坡補償及輸入欠壓保護等特性，適合在通用寬電源輸入應(yīng)用中提供幾瓦至15 W的輸出功率。

要求PFC的8 W至25 W AC-DC LED照明的典型應(yīng)用同上，輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac，其他指標與不需要PFC的應(yīng)用相同，而功率因數(shù)要求高于0.9。這類應(yīng)用適合采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器。單段式拓撲結(jié)構(gòu)無需專用PFC升壓段，減少了元器件數(shù)量，降低了系統(tǒng)總成本。NCL30000滿足IEC C類諧波含量要求，可直接驅(qū)動LED，具備精確恒流輸出控制，在5 W至15 W較低輸出功率時能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現(xiàn)有調(diào)光方案。

3)50 W至200 W方案

功率高于50 W的AC-DC LED應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明。其輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護，恒流輸出為350 mA、700 mA和1 A。此類應(yīng)用可以采用單段式PFC LED驅(qū)動器NCL30001、CrM PFC+ QR PWM驅(qū)動器NCP1607+NCP1377，以及CrM PFC+ LLC PWM驅(qū)動器NCP1607+NCP1397或NCP1392/3，以滿足不同需求。

便攜應(yīng)用要求延長電池使用時間，減小占板面積和高度。安森美半導(dǎo)體的多種低壓便攜產(chǎn)品背光應(yīng)用LED驅(qū)動器方案可用于線性、電感型及電荷泵型等不同拓撲結(jié)構(gòu)。其中，電感型方案總能效最佳，電荷泵型方案的占板面積和高度最小，線性驅(qū)動器則適合簡單背光應(yīng)用。

安森美半導(dǎo)體的CAT3200、NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、NCP5603等支持電荷泵方案的不同調(diào)光型產(chǎn)品，如單模、雙模、三?；蛩哪７桨傅取Ｒ訬CP5623為例，這是一款高能效LED驅(qū)動器，帶有I2C接口，內(nèi)置漸進調(diào)光功能，特別適用于驅(qū)動手機等便攜產(chǎn)品的RGB LED裝飾光和增強型LCD背光。它可實現(xiàn)94%峰值能效和低于1微安的待機電流，將便攜設(shè)備電池工作時間延至最長。該器件封裝極小，僅需4個無源組件，并具備短路和過壓保護功能。

要在弱光下拍得高分辨率照片的數(shù)碼相機需要高亮度閃光。雖然白光LED能提供這個等級的光能，但需要比電池所提供的高出近400%的能量。以安森美半導(dǎo)體的NCP5680為例，它配合電池管理及超級電容來驅(qū)動LED閃光至充分亮度，提供達10 A的大峰值電流。NCP5680的集成驅(qū)動器還可管理超級電容，處理其他峰值功率功能，如變焦、自動對焦、音頻、視頻、無線傳輸、GPS數(shù)據(jù)讀取及射頻(RF)放大，延長電池使用時間又兼顧纖薄型設(shè)計，節(jié)省開發(fā)時間、電路板空間及元器件成本，見圖3。

圖3：NCP5680全功能典型應(yīng)用。

液晶電視LED背光方案

液晶電視市場的一大熱點是節(jié)能，利用先進技術(shù)可以更少電能執(zhí)行相同的功能。其它熱點包括趨向更大屏幕及更低厚度，這對其電源設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，并推動背光源技術(shù)由傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)背光向LED背光過渡。

安森美半導(dǎo)體的NCP1397初級端控制器配合帶正向電壓監(jiān)測功能的6信道線性LED驅(qū)動器CAT4026等器件，支持低高度LED背光液晶電視設(shè)計，使電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以很好地處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護等問題，使電源設(shè)計挑戰(zhàn)迎刃而解。采用NCP1397和CAT4026的46英寸液晶電視背光方案由LED背光轉(zhuǎn)換器(NCP1397等器件)和LED控制器(CAT4026等器件)組成。

CAT4026是應(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)動器的高性價比方案，可以單顆IC支持6通道，且易于分級為多達12個或18個通道(相應(yīng)采用2個或3個控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%。此外，該驅(qū)動器還提供正向電壓監(jiān)測功能，可以限制總體功耗；還能為LED開路及過多LED短路等不同LED串故障提供保護。

LED汽車前照燈方案

目前，大多數(shù)汽車仍采用鹵素前照燈方案，提供遠光和近光功能。就中檔車而言，趨勢是使用氙氣燈和LED燈。LED在汽車前照燈中的應(yīng)用已超出了遠光燈和近光燈的范疇，如霧燈、轉(zhuǎn)向輔助燈、轉(zhuǎn)向指示燈、日間行車燈、示廓燈等。預(yù)計這些非遠光燈/近光燈應(yīng)用將快速攀升，5年內(nèi)30%的汽車將配備多種LED前照燈功能。

安森美半導(dǎo)體將在2010年第4季度發(fā)布一款新的LED驅(qū)動器，專門用于所有前照燈的控制功能，它將集成開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器，可用于2個通道，并提供診斷功能，有助于大幅降低前照燈耗電所帶來的汽車燃料消耗，值得用戶期待。

車內(nèi)LED照明方案

用于乘客上下車的便利照明已成為現(xiàn)代汽車的一項標準功能。這類照明系統(tǒng)及光路配置相對簡單。

用安森美半導(dǎo)體的NUD4001低成本集成電流源可以替代汽車內(nèi)部照明分立解決方案，在低和高交流或直流電壓應(yīng)用中(6至120V)驅(qū)動LED，這樣就不再需要單獨的組件，明顯降低了系統(tǒng)成本和電路板面積。

該器件利用交流或直流輸入為LED陣列提供穩(wěn)定的直流電流，可以驅(qū)動串聯(lián)或并聯(lián)的LED陣列，且電壓開銷小(1.4V)，適用于低壓應(yīng)用。它的電流穩(wěn)定原理是通過在一個外部低功率檢測電阻(Rext)上產(chǎn)生恒定壓降(0.7V)，這樣就設(shè)置了一個獨立于輸入電壓的電流，使利用NUD4001設(shè)計LED電路變得非常簡單。

NUD4001提供了一種滿足汽車應(yīng)用的低成本解決方案。與采用線性或開關(guān)穩(wěn)壓器相比，它的設(shè)計更簡便，可以構(gòu)成更簡單而且成本更低的電路，見圖4。

圖4：用NUD4001器件驅(qū)動一個200mA的LED的車廂頂燈電路。

本文小結(jié)

LED照明方興未艾，用于各類照明應(yīng)用的LED驅(qū)動方案市場潛力巨大。安森美半導(dǎo)體非常重視這一市場，運用其在低壓、高壓技術(shù)及電源管理方面的專長，為各種應(yīng)用提供全面的LED驅(qū)動解決方案。這里介紹的只是安森美半導(dǎo)體眾多方案的極小部分。除了通用方案，安森美半導(dǎo)體還開發(fā)專用的LED驅(qū)動器，以滿足不斷演變的便攜、消費、工業(yè)及汽車市場的特定需求。