安森美LED區(qū)域照明應(yīng)用解決方案

　　從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)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(lái)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(kù)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(lái)安全問(wèn)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)簟⒏邏衡c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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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。

圖1 智能雙亮度等級(jí)LED街道照明示例

　　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(lái)自主控制。而利用電力線通信（PLC）或無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)圖2）。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。

圖2 典型的模塊化LED區(qū)域照明電源架構(gòu)示意圖

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(mén)優(yōu)化用于驅(qū)動(dòng)大電流LED，采用具有專利的開(kāi)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)。圖3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3 CAT4201高壓LED驅(qū)動(dòng)器配置

　　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(lái)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(lái)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。

圖4 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

　　這90 W恒壓恒流演示板接受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（可通過(guò)微幅調(diào)節(jié)電阻來(lái)選擇）及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍（可通過(guò)電阻分壓器來(lái)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