大功率LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)方案

LED越來越多地開始被用于大功率區(qū)域照明，如高頂燈、停車庫照明、洗墻燈、街燈、隧道照明等。隨著LED照明技術(shù)的不斷演進(jìn)，應(yīng)用于大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方案需要不斷更新、改進(jìn)，使LED控制達(dá)到新高度，實(shí)現(xiàn)智能控制，增強(qiáng)節(jié)能和延長LED工作壽命。本期大講臺(tái)將在介紹LED區(qū)域照明應(yīng)用的要求及LED區(qū)域照明電源架構(gòu)的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)介紹安森美半導(dǎo)體在大功率LED區(qū)域照明方面的一些典型驅(qū)動(dòng)方案，以幫助工程師進(jìn)行大功率LED區(qū)域照明設(shè)計(jì)。

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，以及提供某種等級的安全性，避免(電氣和/或機(jī)械方式的)震動(dòng)及著火，可能需要“智能”控制光輸出等級，來配合遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控及保護(hù) 。對于區(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)。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)對功率超過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(如美國)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。

區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)器示例如圖1所示。

圖1 區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)器示例

LED區(qū)域照明電源架構(gòu)

LED區(qū)域照明電源需要很多顆1 W LED來產(chǎn)生所要求的流明輸出(40到超過100顆)，要可以調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)以用于多種不同的光等級，此外，街燈要求特殊的光分布，對光電器件有要求。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(見圖2)。這種架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了能夠現(xiàn)場升級的模塊化途徑，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。

圖2 典型的模塊化LED區(qū)域照明電源架構(gòu)示意圖

1）適合線性燈、線槽燈等應(yīng)用的分布式/模塊化方案
在“功率因數(shù)校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構(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。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，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的工作簡化框圖如圖3所示。

圖3 CAT4201工作簡化框圖

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)。圖4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。

圖4 CAT4201高壓LED驅(qū)動(dòng)器配置

典型高壓降壓LED驅(qū)動(dòng)器性能如圖5所示，從圖中可以看出當(dāng)Vf/Vin大于0.8時(shí)，CAT4201可以提供93%至95%范圍的能效。

圖5 典型高壓降壓LED驅(qū)動(dòng)器性能

2) 適合洗墻燈、外墻燈等應(yīng)用的整體式/單段式方案
區(qū)域照明應(yīng)用除了采用分布式/模塊化方案之外，還可采用整體式/單段式方案。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是一種單段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LED驅(qū)動(dòng)方案，其靈活的特性非常適合應(yīng)用于新的LED照明產(chǎn)品，其他規(guī)格特性還包括高壓啟動(dòng)電路、電壓前饋以改善環(huán)路響應(yīng)、輸入欠壓檢測、內(nèi)部過載定時(shí)器、閂鎖輸入，以及減少輸入線路諧波的高精度乘法器。這種方案采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)工作，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，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)，省去了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。

NCS1002是一款帶PWM調(diào)光功能的次級端恒壓恒流(CVCC)控制器，適合LED街燈等區(qū)域照明應(yīng)用，配合NCL30001控制器更可以設(shè)計(jì)出高功效、具有調(diào)光功能的LED驅(qū)動(dòng)器演示板。基于NCL30001 LED驅(qū)動(dòng)器和NCS1002控制器的90 W LED驅(qū)動(dòng)器演示板電路如圖6所示。

圖6 基于NCL30001 LED驅(qū)動(dòng)器和NCS1002控制器的90 W LED驅(qū)動(dòng)器演示板電路

安森美半導(dǎo)體提供的這款基于NCL30001 LED驅(qū)動(dòng)器和NCS1002控制器的90 W恒壓恒流演示板，可接受90至265 Vac的擴(kuò)展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305 Vac)，提供0.7 A至1.5 A的恒定電流輸出范圍及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍(可通過電阻分壓器來選擇)，最大輸出功率90 W，支持50至1,000 Hz調(diào)光控制，并包含可連接至可選調(diào)光卡的6引腳接口，用于模擬電流調(diào)節(jié)/雙亮度等級數(shù)字調(diào)光等智能調(diào)光應(yīng)用。此外，這款演示板還提供短路保護(hù)、開路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)及過壓保護(hù)等豐富保護(hù)特性。測試結(jié)果表明，如表1所示，這演示板在50 W輸出功率、1,000 mA輸出電壓/48 V正向壓降條件的能效高于87%，在50%至100%負(fù)載條件下功率因數(shù)高于0.9，同時(shí)符合IEC61000-3-2 C類設(shè)備諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驅(qū)動(dòng)器演示板能效測試結(jié)果

3) 適合更大功率區(qū)域照明應(yīng)用的高能效LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電源
近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)興趣日濃，期望在更大功率的50 W至250 W LED區(qū)域照明應(yīng)用中提供高能效(如高于90%)。要提供這樣高的能效，需要采用高能效的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢。

LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用串聯(lián)類型的諧振轉(zhuǎn)換器，能在相對寬的輸入電壓和輸出負(fù)載范圍下工作。此外，由于諧振儲(chǔ)能元件可以部分或完全集成在主變壓器中，LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要數(shù)量有限的元器件。再加上在所有負(fù)載條件下，LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的初級開關(guān)都能工作在零電壓開關(guān)條件，次級整流器都能工作在零電流開關(guān)條件。所以，LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是高性價(jià)比、高能效及優(yōu)化了電磁干擾的解決方案。

在這類要求超高能效的更大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中，可以結(jié)合采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器，用于功率在100到300 W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用，如圖7所示。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器，集成了600 V高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，支持50到500 kHz的高頻工作，內(nèi)置高端和低端驅(qū)動(dòng)器，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護(hù)特性。

圖7 基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案

NUD4700分流器件增強(qiáng)LED串可靠性

區(qū)域照明應(yīng)用中通常會(huì)采用多串LED，雖然LED本身可靠性高，但若LED串中的某個(gè)LED開路，那么整串LED就可能關(guān)閉，而街道照明等應(yīng)用中必須避免這種狀況，從而降低后期維護(hù)成本。為了增強(qiáng)LED串的可靠性，這種安森美半導(dǎo)體推出了NUD4700 LED電流旁路保護(hù)器。NUD4700器件是一款分流器件，當(dāng)LED串中某個(gè)LED開路時(shí)，就會(huì)提供電流旁路，確保整串LED不會(huì)關(guān)閉；而且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支持大于1 A的大電流，其工作原理如圖8所示。

圖8 NUD4700工作原理

總結(jié)

本文主要介紹了安森美半導(dǎo)體提供的幾種典型大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用驅(qū)動(dòng)方案，包括CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器、NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器、基于NCL30001 LED驅(qū)動(dòng)器和NCS1002控制器的90 W LED驅(qū)動(dòng)器演示板以及NCP1607 PFC控制器及NCP1397諧振半橋LLC控制器方案，這些方案具有高效、可靠的特點(diǎn)，工程師在設(shè)計(jì)大功率LED照明的時(shí)候不妨拿來使用，或作為參考。