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通用照明市場(chǎng)中LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)暨安森美半導(dǎo)體解決方案
點(diǎn)擊次數(shù)：956 發(fā)布時(shí)間：2008/11/26 11:19:17
近年來(lái)，隨著綠色環(huán)保團(tuán)體不斷擴(kuò)大節(jié)能環(huán)保界線，各個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)組織不斷發(fā)布新的能效標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，終端產(chǎn)品不斷向更高集成度和更小尺寸的方向發(fā)展，降低能源消耗、提高能源使用效率已經(jīng)成為全球眾多國(guó)家的政府、行業(yè)組織、半導(dǎo)體公司、電子產(chǎn)品制造商及消費(fèi)者所共同關(guān)注的一項(xiàng)焦點(diǎn)。
通用照明市場(chǎng)的不同光源對(duì)比
從具體應(yīng)用來(lái)看，通用照明市場(chǎng)涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛，包括建筑物照明、標(biāo)志、景觀照明、零售、信號(hào)燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場(chǎng)，目前常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。
如果我們基于能效基準(zhǔn)對(duì)不同光源進(jìn)行比較，那么用于衡量照明的一個(gè)重要指標(biāo)便是總輸出流明與輸入功率比，以每瓦流明數(shù)(lm/W)來(lái)衡量，稱作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中，白熾燈的能效相對(duì)較低。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的60W白熾燈而言，其能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對(duì)而言，CFL的能效要高得多，典型能效達(dá)55至60 lm/W。不過(guò)，CFL屬于全方向照射，安裝在燈具中時(shí)，光會(huì)被直射、反向或遮蔽，從而帶來(lái)光損耗，使得55lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間。其它的光源，如HID也擁有著比白熾燈更高的能效，1款100W金屬鹵素HID燈大約可以產(chǎn)生8,000流明的輸出，即能效在80lm/W；不過(guò)，象CFL一樣，HID的光輸出是全方向，在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。
相比較而言，LED是一種新興的光源技術(shù)。常見的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)黃光)的藍(lán)色LED。LED擁有著越來(lái)越高的能效，業(yè)界近期宣稱的強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W，色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上，近年來(lái)，業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對(duì)于通用照明而言，LED擁有眾多具有吸引力的特性。
LED通用照明要求及LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)
對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來(lái)分析其要求?？偟膩?lái)看，LED固態(tài)照明系統(tǒng)涉及以下要求：
·LED光源：光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率
·電源轉(zhuǎn)換：將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源
·控制和驅(qū)動(dòng)：采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制
·熱管理：為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命，結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱
·光學(xué)器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或?qū)Ч獠牧?nbsp;
在開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案時(shí)，這幾方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驅(qū)動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。
對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，則需要提供脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，由于LED在適宜電流時(shí)始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，所以其色彩不會(huì)漂移。
由于系統(tǒng)中需要使用的LED數(shù)量常常不止一個(gè)，這就涉及到對(duì)LED進(jìn)行配置的問(wèn)題。一般而言，強(qiáng)烈建議驅(qū)動(dòng)單串LED，因?yàn)檫@樣能夠提供佳的電流匹配，而與正向電壓變化或輸出電壓“漂移”無(wú)關(guān)。當(dāng)然，用戶也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來(lái)配置LED。如果采用并聯(lián)配置，電路就需要“匹配的”LED正向電壓；如果某個(gè)LED失效開路，其它LED可能會(huì)被過(guò)驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地，采用多路并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接技術(shù)，可用于嘗試減輕發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。
LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例
根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來(lái)供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。
1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美(ON)半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5W(電流為350mA、700mA或1A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15W的較大功率通用應(yīng)用。
以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350mA/22Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700mA/17Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。值得一提的是，這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能，會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24V電壓。在這設(shè)計(jì)中，電流和開路電壓能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來(lái)調(diào)整。值得一提的是，如果針對(duì)230Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25W的功率。
2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電
有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36VDC適配器、太陽(yáng)能電池以及低壓的12和24VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。
即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動(dòng)LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。
為L(zhǎng)ED提供保護(hù)
如前所述，LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為L(zhǎng)ED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長(zhǎng)ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。
在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1W LED(額定電流為350 mA@ 3V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1A電流的操作。
通用照明市場(chǎng)的不同光源對(duì)比
從具體應(yīng)用來(lái)看，通用照明市場(chǎng)涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛，包括建筑物照明、標(biāo)志、景觀照明、零售、信號(hào)燈、街道照明和住宅照明等。在通用照明市場(chǎng)，目前常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。
如果我們基于能效基準(zhǔn)對(duì)不同光源進(jìn)行比較，那么用于衡量照明的一個(gè)重要指標(biāo)便是總輸出流明與輸入功率比，以每瓦流明數(shù)(lm/W)來(lái)衡量，稱作能效(efficacy)。在不同的照明解決方案中，白熾燈的能效相對(duì)較低。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的60W白熾燈而言，其能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)。相對(duì)而言，CFL的能效要高得多，典型能效達(dá)55至60 lm/W。不過(guò)，CFL屬于全方向照射，安裝在燈具中時(shí)，光會(huì)被直射、反向或遮蔽，從而帶來(lái)光損耗，使得55lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間。其它的光源，如HID也擁有著比白熾燈更高的能效，1款100W金屬鹵素HID燈大約可以產(chǎn)生8,000流明的輸出，即能效在80lm/W；不過(guò)，象CFL一樣，HID的光輸出是全方向，在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。
相比較而言，LED是一種新興的光源技術(shù)。常見的白光LED是鍍磷(激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)黃光)的藍(lán)色LED。LED擁有著越來(lái)越高的能效，業(yè)界近期宣稱的強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W，色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上，近年來(lái)，業(yè)界在將LED用于通用照明市場(chǎng)的興趣不斷增加。對(duì)于通用照明而言，LED擁有眾多具有吸引力的特性。
LED通用照明要求及LED驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)
對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來(lái)分析其要求?？偟膩?lái)看，LED固態(tài)照明系統(tǒng)涉及以下要求：
·LED光源：光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率
·電源轉(zhuǎn)換：將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源
·控制和驅(qū)動(dòng)：采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制
·熱管理：為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命，結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱
·光學(xué)器件：將光聚焦至需要它的地方要求使用透鏡或?qū)Ч獠牧?nbsp;
在開發(fā)高能效的LED通用照明解決方案時(shí)，這幾方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驅(qū)動(dòng)是本文討論的重點(diǎn)。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。
對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，則需要提供脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，由于LED在適宜電流時(shí)始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，所以其色彩不會(huì)漂移。
由于系統(tǒng)中需要使用的LED數(shù)量常常不止一個(gè)，這就涉及到對(duì)LED進(jìn)行配置的問(wèn)題。一般而言，強(qiáng)烈建議驅(qū)動(dòng)單串LED，因?yàn)檫@樣能夠提供佳的電流匹配，而與正向電壓變化或輸出電壓“漂移”無(wú)關(guān)。當(dāng)然，用戶也可以并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接等方式來(lái)配置LED。如果采用并聯(lián)配置，電路就需要“匹配的”LED正向電壓；如果某個(gè)LED失效開路，其它LED可能會(huì)被過(guò)驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)地，采用多路并聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)交叉連接技術(shù)，可用于嘗試減輕發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。
LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例
根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來(lái)供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。
1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美(ON)半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5W(電流為350mA、700mA或1A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15W的較大功率通用應(yīng)用。
以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350mA/22Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700mA/17Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。值得一提的是，這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能，會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24V電壓。在這設(shè)計(jì)中，電流和開路電壓能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來(lái)調(diào)整。值得一提的是，如果針對(duì)230Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25W的功率。
2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電
有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36VDC適配器、太陽(yáng)能電池以及低壓的12和24VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。
即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動(dòng)LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。
為L(zhǎng)ED提供保護(hù)
如前所述，LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為L(zhǎng)ED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長(zhǎng)ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。
在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1W LED(額定電流為350 mA@ 3V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1A電流的操作。
