高能效LED通用照明解決方案

通用照明市場(chǎng)常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。隨著人們綠色環(huán)保意識(shí)的提高，通用照明市場(chǎng)也成為業(yè)界致力提高能效的重要目標(biāo)。

就能效(總輸出流明與輸入功率比，lm/W)而言，不同的通用照明光源中，白熾燈的能效相對(duì)較低，標(biāo)準(zhǔn)60 W白熾燈能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)，而CFL的典型能效達(dá)55至60 lm/W(由于光損耗，55 lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間)。其它的光源，如金屬鹵素HID燈能效約在80 lm/W，但在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。

圖1：通用照明光源的發(fā)展趨勢(shì)

相比較而言，LED擁有著越來(lái)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，LED的低壓、小體積、定向光、固態(tài)器件、長(zhǎng)工作壽命等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于通用照明特別具有吸引力。

LED通用照明系統(tǒng)面臨的要求及挑戰(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(lái)分析其要求?？偟膩?lái)看，LED通用照明系統(tǒng)涉及到LED光源(緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率)、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)、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)、熱管理(結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命)及光學(xué)器件等。

要開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案，這幾方面的要求都非常重要。其中，本文主要討論LED的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)在下文的太陽(yáng)能供電街燈照明示例中結(jié)合討論高效的電源轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

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。

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，通常采用的是脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光技術(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)。

通用照明電源轉(zhuǎn)換及LED驅(qū)動(dòng)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(lái)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) 采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電

許多高亮度LED應(yīng)用工作在高至40 VDC范圍的電源，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。

以太陽(yáng)能電池板供電為例，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中析取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn))盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。

圖2：安森美半導(dǎo)體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應(yīng)用示意圖

最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。具體而言，當(dāng)我們實(shí)際上無(wú)法改變負(fù)載時(shí)，MPPT功能使太陽(yáng)能電池“認(rèn)為”負(fù)載正在發(fā)生變化;通過(guò)這種方式，MPPT“欺騙”太陽(yáng)能板輸出不同電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電池。

安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽(yáng)能板電池充電控制應(yīng)用，推出CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器(見圖2)，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V，輸出為12 V@2 A，并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護(hù)特性。這控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控;能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽(yáng)能板應(yīng)用。

而在后續(xù)的LED驅(qū)動(dòng)方面，可以選用安森美半導(dǎo)體的NCP3066驅(qū)動(dòng)方案。。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩(wěn)壓器，帶專用“啟用”引腳用于實(shí)現(xiàn)低待機(jī)能耗，具有平均電流感測(cè)功能(電流精度與LED正向電壓無(wú)關(guān))，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測(cè)電阻。這器件不需要環(huán)路補(bǔ)償，易于設(shè)計(jì)。需要指出的是，NCP3066也可用作控制器，如可采用100 V外部N溝道FET來(lái)進(jìn)行升壓。這器件支持4至30 W功率的不同應(yīng)用，且提供不同MOSFET選擇。

除了太陽(yáng)能供電街道照明應(yīng)用外，在針對(duì)新興的高亮度、高視覺沖擊力LED建筑物照明的RGB LED像素控制應(yīng)用中，還可以采用安森美半導(dǎo)體的三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器CAT4103。CAT4103為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有高速串行接口，能夠支持達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式(長(zhǎng)距離)、菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。

CAT4103支持每通道達(dá)175 mA的寬廣范圍LED恒流驅(qū)動(dòng)，電流為60 mA時(shí)壓降電平至0.3 V ，確保在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)串LED時(shí)提供最高性能。這種驅(qū)動(dòng)器每通道支持25 V的電壓電平，能夠以超過(guò)10瓦(W)的高亮度功率電平支持RGB像素。

圖3：安森美半導(dǎo)體CAT4103三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用示意圖