安森美半導(dǎo)體LED區(qū)域照明應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日漸增強(qiáng)，業(yè)界越來越關(guān)注能源消耗對(duì)環(huán)境的影響。在各種能源消耗途徑中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有高達(dá)20%至22%的電能用于照明。提高照明應(yīng)用的能源使用效率乃至進(jìn)一步降低其能源消耗，有助于減少二氧化碳排放，造就更加綠色環(huán)保的世界。因此，高能效照明正在成為業(yè)界競(jìng)逐的一個(gè)焦點(diǎn)。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，照明涵蓋住宅照明、工業(yè)照明、街道照明和餐廳、零售及服務(wù)業(yè)照明等不同類別。而從功率等級(jí)來看，除了低功率照明，也包括大功率區(qū)域照明，典型應(yīng)用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車場(chǎng)及公共安全照明、工業(yè)及零售照明等室外照明，以及低頂燈、高頂燈、凍柜/冰箱及停車庫等室內(nèi)照明。

大功率區(qū)域照明存在不少挑戰(zhàn)，如燈具可能難以接近、光源發(fā)生故障時(shí)可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環(huán)境條件等。此外，不容忽視的是，應(yīng)用于大功率區(qū)域照明的現(xiàn)有光源（如金屬鹵素?zé)?、高壓鈉燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈）存在著不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差（CRI約為22），金屬鹵素?zé)舻牡湫蜔艟邠p耗較高（40%）且其從啟動(dòng)到發(fā)光至完整亮度經(jīng)歷的時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)10分鐘，線性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動(dòng)速度也較慢。

另一方面，隨著高亮度白光發(fā)光二極管（LED）在性能和成本等方面持續(xù)改進(jìn)，越來越多地用于大功率區(qū)域照明，并提供傳統(tǒng)光源不具備的優(yōu)勢(shì)，如發(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護(hù)成本及總體擁有成本。

一、LED區(qū)域照明應(yīng)用要求

LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是在多種條件下限流，并要保護(hù)LED免受浪涌及其它故障條件影響，以及提供某種等級(jí)的安全性，避免（電氣和/或機(jī)械方式的）震動(dòng)及著火。對(duì)于區(qū)域照明應(yīng)用而言，室外環(huán)境會(huì)給LED驅(qū)動(dòng)器帶來溫度挑戰(zhàn)，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比標(biāo)準(zhǔn)電壓更高的交流輸入電壓。

區(qū)域照明應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器可能還需要符合某些有關(guān)功率因數(shù)或諧波含量的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。如歐盟的國(guó)際電工聯(lián)盟（IEC）的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率超過25 W的照明設(shè)備（C類）的諧波含量提出了要求，相當(dāng)于總諧波失真（THD）低于35%；但符合IEC61000-3-2 C類諧波含量要求并不必然表示功率因數(shù)（PF）高于0.9。而某些市場(chǎng)（如美國(guó)）通常要求PF高于0.9及THD低于20%。

很多區(qū)域照明應(yīng)用都在室外，可能會(huì)經(jīng)受各種嚴(yán)格溫度條件，從而使總體使用壽命受到影響。而總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)使用壽命有重要影響，故使用內(nèi)部發(fā)熱較少、損耗更低的高能效LED驅(qū)動(dòng)器非常重要，而且在設(shè)計(jì)中要對(duì)驅(qū)動(dòng)器與LED熱源進(jìn)行熱隔離，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統(tǒng)街燈以定時(shí)器或環(huán)境光傳感器來自主控制。而利用電力線通信（PLC）或無線控制技術(shù)，可以提供高度靈活的LED區(qū)域照明控制，如基于時(shí)間的光輸出等級(jí)集中控制、基于車流量傳感器的發(fā)光等級(jí)控制，以及根據(jù)檢測(cè)人、車活動(dòng)來調(diào)控市中心照明，兼顧步行車及街道照明。LED智能控制技術(shù)在節(jié)省電能之余，還不會(huì)損及安全性。典型應(yīng)用有如智能雙亮度等級(jí)照明，如公園、加油站頂棚、停車場(chǎng)所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據(jù)需要來調(diào)整亮度等級(jí)的照明。LED能夠即時(shí)導(dǎo)通及關(guān)閉，能夠在這些應(yīng)用中方便地根據(jù)動(dòng)作或活動(dòng)來調(diào)節(jié)照明等級(jí)，如在未檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)提供20%-40%的亮度等級(jí)，而在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節(jié)省額外的電能消耗。

二、LED區(qū)域照明電源架構(gòu)及典型LED驅(qū)動(dòng)方案

1）適合線性燈、線槽燈等應(yīng)用的分布式/模塊化方案

大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中，一種常見的電源架構(gòu)是功率因數(shù)校正（PFC）+恒壓（CV）+恒流（CC）的三段式架構(gòu)。這種架構(gòu)中，交流輸入電源經(jīng)過功率因數(shù)校正和隔離型直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓，提供給后面內(nèi)置DC-DC降壓轉(zhuǎn)換電路的恒流LED模塊。這種架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了能夠現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的模塊化途徑，可根據(jù)實(shí)際需求，靈活改變LED光條數(shù)量，從而增加或減小光輸出，滿足具體區(qū)域照明應(yīng)用要求。這種架構(gòu)下，交流-直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動(dòng)電路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既簡(jiǎn)化安全考慮又增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，也稱作分布式方案，典型應(yīng)用包括線性燈及線槽燈等。

在這種模塊化途徑下，一項(xiàng)設(shè)計(jì)能夠擴(kuò)展用于多種光輸出等級(jí)。而且隨著LED光輸出性能增強(qiáng)，LED模塊要提供相同光輸出等級(jí)，所需采用的燈條就更好。而每個(gè)燈條都設(shè)有一個(gè)專用的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器，如可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201高能效降壓LED驅(qū)動(dòng)器。CAT4201專門優(yōu)化用于驅(qū)動(dòng)大電流LED，采用具有專利的開關(guān)控制算法，提供高能效及精確的LED穩(wěn)流（可達(dá)350 mA）。CAT4201可采用最高36 V的電源電壓供電，并兼容于12 V和24 V標(biāo)準(zhǔn)照明系統(tǒng)。顯示的是CAT4201的高壓LED驅(qū)動(dòng)器配置，外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入：100 V輸入電壓時(shí)LED功率達(dá)30 W；50 V輸入時(shí)LED功率達(dá)13 W。

2）適合洗墻燈、外墻燈等應(yīng)用的整體式/單段式方案

并不是所有的區(qū)域照明應(yīng)用都要求采用分布式/模塊化方案。隨著白光LED性能的快速提升，新型LED已經(jīng)可以配合新的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法。領(lǐng)先的LED制造商已經(jīng)推出支持更大電流及具備更高發(fā)光性能的新型LED，如Cree的XP-G系列LED（正向壓降為3.3 V）在1 A電流時(shí)可提供330流明光輸出，Seoul Semiconductor的P7系列LED（正向壓降為3.3 V）在1.4 A時(shí)可提供400 流明光輸出。在這種條件下，可以配置新穎的LED驅(qū)動(dòng)器來直接驅(qū)動(dòng)1 A到3 A的大電流。例如，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。

NCL30001是一種整體式/單段式的LED驅(qū)動(dòng)方案，這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，并提供恒定電流來直接驅(qū)動(dòng)LED。這種方案相當(dāng)于將AC-DC轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動(dòng)兩部分電路整合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種整體式方案的電源轉(zhuǎn)換段更少，減少元器件使用數(shù)量（如光學(xué)元件、LED、電子元件及印制電路板等）、降低系統(tǒng)成本，并支持更高的LED電源總體能效。當(dāng)然，這種方案的功率密度更高，可能并不適合所有區(qū)域照明應(yīng)用，其光學(xué)圖案可能更適合較低功率的LED，典型應(yīng)用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。