低功率LED通用照明設(shè)計挑戰(zhàn)暨安森美半導(dǎo)體高能效方

近年來，照明已經(jīng)成為世界各國推動節(jié)能環(huán)保所瞄準(zhǔn)的一個重要領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有20%的電能用于照明，這些電能中又有約40%用于低效的白熾燈照明。而隨LED在光輸出性能、成本等幾乎各個方面的持續(xù)改進(jìn)，LED通用照明已經(jīng)成為白熾燈等傳統(tǒng)照明的一種極引人注目的替代解決方案。

典型的LED通用照明應(yīng)用包括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、廣告牌文字電路、建筑物照明等。LED街燈的功率較高，一般在50 W至300 W之間；LED建筑物及區(qū)域照明應(yīng)用的功率一般在40 W到125 W之間，屬于中等功率范圍；30 W以下的可統(tǒng)稱作低功率LED照明應(yīng)用，包括特定指向照明，如櫥柜內(nèi)照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺燈等，以及全向照明，如重點照明、家電、通用照明A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將重點探討30 W以下功率的低功率LED通用照明應(yīng)用，以及安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的高能效方案。

圖1：常見低功率LED照明應(yīng)用。

低功率LED照明應(yīng)用選擇驅(qū)動器須考慮的因素
LED驅(qū)動器的主要功能，就是在工作條件范圍下限制電流，而無論輸入及輸出條件如何變化。其應(yīng)用設(shè)計面臨多種限制條件，如高能效(低損耗)、高性價比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標(biāo)準(zhǔn)、可改造用于已有應(yīng)用及能采用傳統(tǒng)控制方式工作等。

要為低功率LED應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動器并不容易，需要顧及不同的因素。例如，商業(yè)和住宅市場對LED燈具在工作溫度、使用時長、性能及“能源之星”等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面的要求并不相同。此外，燈泡替代應(yīng)用也存在著獨特挑戰(zhàn)，如LED電源及驅(qū)動器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。

就LED通用照明適用的標(biāo)準(zhǔn)而言，主要有美國“能源之星”要求的功率因數(shù)校正(PFC)標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟的國際電工委員會(IEC)對總諧波失真的限制標(biāo)準(zhǔn)。其中，“能源之星”V1版燈具標(biāo)準(zhǔn)要求LED照明燈具具備PFC，適用于嵌燈、櫥柜燈及臺燈等特定產(chǎn)品，但與功率電平無關(guān)。這標(biāo)準(zhǔn)要求住宅應(yīng)用的功率因數(shù)(PF)高于0.7，而商業(yè)應(yīng)用高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)是自愿性標(biāo)準(zhǔn)，將于2011年9月實施。而“能源之星”的1.1版整體式LED燈泡標(biāo)準(zhǔn)已于2010年8月生效，要求輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)高于0.7。

如前所述，為低功率LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動器須考慮眾多因素，這其中，有關(guān)功率因數(shù)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。接下來，我們以安森美半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品為例，探討如何在低功率照明應(yīng)用中提供高功率因數(shù)。

改善低功率LED住宅照明應(yīng)用能效的方案
以住宅照明的臺燈和櫥柜燈等應(yīng)用為例，功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應(yīng)用最適合采用隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)離線反激電源轉(zhuǎn)換器在開關(guān)穩(wěn)壓器前面采用全波整流橋及大電容，這種配置的功率利用率或輸入線路波形的PF較低，僅在0.5至0.6的范圍。

這就要引入PFC。如可在反激轉(zhuǎn)換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC，能提供高于0.98的PF，但增加了元件數(shù)量及復(fù)雜性，且最適合的功率遠(yuǎn)高于本應(yīng)用要求。無源PFC方案眾多，可改善PF，但通常都使用較多額外元件，增加成本及電路板占用空間，并降低可靠性。

圖2：改善了功率因數(shù)的NCP1014應(yīng)用電路圖。

實際上，高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統(tǒng)設(shè)計的第一步就是在開關(guān)段前獲得極低電容，從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產(chǎn)生更合意的正弦輸入電流，反激轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數(shù)就高。安森美半導(dǎo)體的NCP1014自供電單片開關(guān)穩(wěn)壓器采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個特定點；這個點由輸入電壓及開關(guān)周期或?qū)щ姇r間結(jié)束前的初級電感來確定。由于導(dǎo)電時間的限制，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)。

圖3：基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數(shù)。

應(yīng)對更高功率因數(shù)及TRIAC調(diào)光挑戰(zhàn)的方案
要針對低功率LED照明應(yīng)用提供高于0.9的功率因數(shù)及低總諧波失真，以適合商業(yè)應(yīng)用要求，就有必要使用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種情況下，傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。相應(yīng)的，我們可以使用基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的單段式CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本，并提供高功率因數(shù)。圖4顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。

圖4：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動器GreenPoint?參考設(shè)計簡化框圖。

值得一提的是，與前述針對住宅應(yīng)用使用開關(guān)穩(wěn)壓器(內(nèi)置FET等旁路元件)的方案不同，我們在針對商業(yè)照明的應(yīng)用中使用的是寬動態(tài)范圍的精確導(dǎo)通時間控制器方案NCL30000。設(shè)計中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實現(xiàn)折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線等?；贜CL3000構(gòu)建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測試顯示，功率因數(shù)遠(yuǎn)高于0.9，部分輸入電壓條件下功率因數(shù)甚至高于0.95(見圖5)，能效也極高(參見參考資料2)。

圖5：基于NCL30000的演示板PF及THD測試結(jié)果。

此外，TRIAC調(diào)光器應(yīng)用廣泛，故LED驅(qū)動方案的一項挑戰(zhàn)就是兼容TRIAC調(diào)光這樣的已有調(diào)光技術(shù)，因為TRIAC調(diào)光器設(shè)計針對的是電阻型負(fù)載的白熾燈泡(功率因數(shù)約為1)，。有利的是，基于NCL30000的設(shè)計提供極高的功率因數(shù)，輕松符合商業(yè)應(yīng)用的功率因數(shù)要求。且用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計的NCL30000單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相，輸入電流波形看上去象是電阻型負(fù)載的波形，能夠兼容TRIAC調(diào)光。

為了支持客戶在低功率LED商業(yè)照明應(yīng)用中應(yīng)用NCL30000 PFC控制器，安森美半導(dǎo)體提供設(shè)計目標(biāo)功率低于18 W、旨在以350 mA電流驅(qū)動4到15顆LED的三款NCL30000評估演示電路板，分別是NCL30000LED1GEVB(輸入電壓90至135 Vac，TRIAC可調(diào)光)、NCL30000LED2GEVB(輸入電壓180至265 Vac，TRIAC可調(diào)光)及NCL30000LED3GEVB (輸入電壓90至305 Vac)。當(dāng)然，客戶可能需要支持更大功率及更大電流的選擇。這時候就需要優(yōu)化變壓器及輸出整流器和電容等關(guān)鍵元器件，并將輸出繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)方式。而且有利的是，NCL30000作為控制器方案，支持寬功率范圍。

后續(xù)方案展望
LED在通用照明中替代白熾燈泡的應(yīng)用前景極為廣闊，但仍有不少挑戰(zhàn)有待解決。A型燈、E26、E27等傳統(tǒng)白熾燈包含不同功率等級，如40 W白熾燈一般提供約450流明(lm)的光輸出。如今一流暖白光LED的光效約為100 lm/W，考慮到熱效應(yīng)及光電轉(zhuǎn)換效率問題，要提供450 lm光輸出，大約需要5到7顆LED，而將這些LED裝配在燈泡內(nèi)存在著空間及性能方面的挑戰(zhàn)。有利的是，安森美半導(dǎo)體正在開發(fā)相應(yīng)的LED驅(qū)動器方案。

此外，在上述方案中，NCL30000用于隔離型高功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實際上，這器件也可配置為非隔離型降壓或降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

總結(jié)：
為低功率LED通用照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動器方案需要顧及跟應(yīng)用相關(guān)的多種因素，如空間、能效、環(huán)境條件及兼容的調(diào)光技術(shù)等。本文以安森美半導(dǎo)體的NCP1014單片開關(guān)穩(wěn)壓器及NCL30000功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動器為例，重點探討如何應(yīng)對低功率住宅及商業(yè)LED照明應(yīng)用針對功率因數(shù)要求等方面的挑戰(zhàn)，分享了這些方案的相關(guān)能效測試結(jié)果，顯示它們非常適合用于設(shè)計滿足“能源之星”等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)要求的低功率照明應(yīng)用。這兩款產(chǎn)品僅是安森美半導(dǎo)體寬范圍LED驅(qū)動器方案的少數(shù)示例，客戶利用這些高能效、高性能LED驅(qū)動器方案，輔以安森美半導(dǎo)體提供的GreenPoint?網(wǎng)上設(shè)計仿真工具，能夠縮短設(shè)計周期，加快產(chǎn)品上市。