LED照明全方位滲透高能效驅(qū)動(dòng)方案照亮前程

核心觀點(diǎn)：

1.LED照明進(jìn)入各領(lǐng)域，但通用照明滲透率最低

2.LED通用照明可望在5年內(nèi)開始進(jìn)入主流家庭應(yīng)用

3.LED通用照明的普及類似于當(dāng)年半導(dǎo)體產(chǎn)品的普及

4.不同功率應(yīng)用需要不同的LED驅(qū)動(dòng)方案

在當(dāng)今電能需求與生產(chǎn)日趨失衡的條件下，最有效的因應(yīng)途徑就是提升能效，即利用技術(shù)，以更少的電能來執(zhí)行相同的任務(wù)或功能。電能使用涉及眾多的領(lǐng)域，以常見的建筑物為例，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，美國建筑物總能耗中約有30%的能耗源自照明領(lǐng)域，而中國的估計(jì)也達(dá)到約11%至12%。由此看來，照明域的節(jié)能潛力巨大。

安森美半導(dǎo)體LED通用照明及電源營銷和系統(tǒng)工程總監(jiān)Laurent Jenck(鄭樂康)指出，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)，但這些傳統(tǒng)節(jié)能燈中包含劇毒化學(xué)物質(zhì)汞，對(duì)環(huán)境有不良影響。另一方面，高亮度發(fā)光二極管(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)侵各領(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(LCD)背光應(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

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(duì)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。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)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)?，?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(duì)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(duì)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(duì)不同的LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)方案。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(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(duì) 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。