大功率LED区域照明的挑战及驱动电源方案

　　随着人们节能环保意识的日渐增强，业界越来越关注能源消耗对环境的影响。据统计，在各种能源消耗途径中，有高达20%至22%的电能用于照明。提高照明应用的能源使用效率乃至进一步降低其能源消耗，有助于减少二氧化碳排放，造就更加绿色环保的世界。因此，高能效照明正在成为业界竞逐的一个焦点。 

　　从应用领域来看，照明涵盖住宅、工业、街道、餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看，除了低功率照明，也包括大功率区域照明，典型应用如柱灯、洗墙灯、外墙灯、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明，以及低顶灯、高顶灯、冻柜/冰箱及停车库等室内照明。 

　　大功率区域照明存在不少挑战，如灯具可能难以接近、光源发生故障时可能带来安全问题、户外存在多种极端环境条件等。此外，不容忽视的是，应用于大功率区域照明的现有光源(如金属卤素灯、高压钠灯、线性荧光灯及紧凑型荧光灯)存在着不少局限，如高压钠灯的显色性差(CRI约为22)，金属卤素灯的典型灯具损耗较高(40%)，且其从启动到发光至完整亮度，经历的时间可能长达10分钟，线性荧光灯的冷温度性能差，紧凑型荧光灯的启动速度较慢。 

　　另一方面，随着高亮度白光LED在性能和成本等方面持续改进，越来越多地用于大功率区域照明，并提供传统光源不具备的优势。例如，发出每流明光所消耗的电能更少，方向控制性更好，色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度。此外，led也更可靠，利于降低维护成本及总体拥有成本。 

　　LED区域照明应用要求 

　　LED驱动器的主要功能是在多种条件下限流，保护LED免受浪涌及其它故障条件影响，并提供某种等级的安全性，避免电气或机械震动及着火。对于区域照明应用，室外环境会给LED驱动器带来温度挑战，且可能需要承受277 Vac、347 Vac，甚至480 Vac等比标准电压更高的交流输入电压。 

　　区域照明应用的LED驱动器可能还需要符合某些有关功率因数(PF)或谐波含量的规范标准。如欧盟国际电工联盟(IEC)的IEC61000-3-2标准对功率超过25 W的照明设备(C类)的谐波含量提出了要求，相当于总谐波失真(THD)低于35%；但符合IEC61000-3-2 C类谐波含量要求并不必然表示PF高于0.9。而美国等市场通常要求PF高于0.9，THD低于20%。 

　　很多区域照明应用都在室外，会经受各种严格温度环境，总体使用寿命会受到影响。而总体系统设计对使用寿命有重要影响，故使用内部发热较少、损耗更低的高能效LED驱动器非常重要，而且在设计中要对驱动器与LED热源进行热隔离，从而增强系统可靠性。 

　　LED照明可以进行智能化控制。传统街灯以定时器或环境光传感器来自主控制。而利用电力线通信(PLC)或无线控制技术，可以提供高度灵活的LED区域照明控制，如基于时间的光输出等级集中控制；基于车流量传感器的发光等级控制；以及根据检测人、车活动，调控市中心照明，兼顾人、车及街道照明。LED智能控制技术即能节电，也不会影响安全性。典型应用有智能双亮度等级照明（见图1），如公园、加油站顶棚、停车场、楼梯及电冰箱箱体照明，都支持根据需要调整亮度等级的照明。LED能够即时导通及关闭，方便地根据动作或活动调节照明等级，如在未检测到活动时，提供20%-40%的亮度等级；而在检测到活动时，提供100%亮度的照明。 

　　LED区域照明电源架构及典型LED驱动方案 

　　1．适合线性灯、线槽灯的分布式/模块化方案 

　　大功率LED区域照明应用中，一种常见的电源架构是“功率因数校正(PFC)+恒压(CV)+恒流(CC)”的三段式架构。其中，交流输入电源经过PFC和隔离型DC-DC转换后，输出24至80 Vdc的固定电压，提供给后面内置DC-DC降压转换电路的恒流LED模块(见图2)。这种架构的设计提供了能够现场升级的模块化途径，可根据实际需求，灵活改变LED光条数量，从而增加或减小光输出，满足具体区域照明应用要求。该架构下，AC-DC转换与LED驱动电路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既简化安全考虑又增强系统灵活性，也称作分布式方案，典型应用包括线性灯及线槽灯等。 

　　在这种模块化途径下，一项设计能够扩展用于多种光输出等级。而且随着LED光输出性能增强，LED模块要提供相同光输出等级，所需采用的灯条就更好。而每个灯条都设有一个专用的DC-DC LED驱动器，例如，可以采用安森美半导体的CAT4201高能效降压LED驱动器。CAT4201专门优化用于驱动大电流LED，采用专利开关控制算法，提供高能效及精确的LED稳流(可达350 mA)。CAT4201可采用最高36 V的电源电压供电，并兼容12 V和24 V标准照明系统。图3是CAT4201的高压LED驱动器配置，外围的N沟道MOSFET支持高压输入：100 V输入电压时，LED功率达30 W；50 V输入时，LED功率达13 W。 

    2．适合洗墙灯、外墙灯的整体式/单段式方案 

　　并不是所有的区域照明应用都要求采用分布式/模块化方案。随着白光LED性能的快速提升，新型LED已经可以配合新的LED驱动器设计方法。领先的LED制造商已经推出了支持更大电流及具备更高发光性能的新型LED，如科锐（Cree）的XP-G系列LED(正向压降为3.3 V)在1 A电流时可提供330流明光输出，首尔半导体（Seoul Semiconductor）的P7系列LED(正向压降为3.3 V)在1.4 A时可提供400 流明光输出。在这种条件下，可以配置新的LED驱动器直接驱动1 A到3 A的大电流。例如，可以采用安森美半导体的NCL30001功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器。 

　　NCL30001是一种整体式/单段式的LED驱动方案，集成了PFC和隔离型DC-DC转换电路，并提供恒定电流直接驱动LED。这相当于将AC-DC转换与LED驱动两部分电路整合在一起，均位于照明灯具内，省下了LED光条中集成的线性或DC-DC转换器。这种整体式方案的电源转换段更少，减少元器件使用数量(如光学元件、LED、电子元件及印制电路板等)、降低系统成本，并支持更高的LED电源总体能效。当然，这种方案的功率密度更高，可能并不适合所有区域照明应用，其光学图案可能更适合较低功率的LED，典型应用包括LED街灯、外墙灯、洗墙灯及电冰箱箱体照明等。 

　　安森美半导体开发了一款功率达90 W、电流0.7 A至1.5 A、电压低于60 V的单段式高功率因数LED驱动器演示板。该演示板采用了NCL30001 LED驱动器及带脉宽调制(PWM)调光功能的NCS1002次级端恒压恒流(CVCC)控制器(见图4)，适合LED街灯等区域照明应用。 

　　90 W恒压恒流演示板接受90至265 Vac的扩展通用输入电压(更换元件条件下，可支持305 Vac)，提供0.7 A至1.5 A的恒定电流输出范围(可通过微幅调节电阻选择)，及30 V至55 V的恒定输出电压范围(可通过电阻分压器选择)，支持50至1000 Hz调光控制，并包含可连接至可选调光卡的6引脚接口，用于模拟电流调节/双亮度等级数字调光等智能调光应用。此外，演示板还提供短路、开路、过温、过流及过压保护功能。测试显示，演示板在50 W输出功率、1000 mA输出电流/48 V正向压降条件的能效高于87%(见图5)，在50%至100%负载条件下，功率因数高于0.9，同时符合IEC61000-3-2 C类设备谐波含量标准。

　　3．用于更大功率区域照明应用的高能效LLC拓扑结构驱动电源 

　　近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣渐浓，期望在更大功率的50 W至250 W LED区域照明应用中提供高能效(如高于90%)。要提供这样高的能效，需要采用高能效的电源拓扑结构，如谐振半桥双电感加单电容(LLC)拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。 

　　在这类应用中，可以采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器和NCP1397双电感加单电容(LLC)半桥谐振控制器（见图6），用于功率50到300 W范围的高能效LED街道照明。NCP1397是最新高性能谐振模式LLC控制器，集成了600 V高压浮动驱动器，支持50到500 kHz的高频工作，内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。 

　　增强LED串可靠性的保护方案 

　　区域照明应用中，通常会采用多串LED。虽然LED可靠性高，但若LED串中的某个LED开路，那么整串LED就可能关闭，而街道照明等应用要避免这种状况，从而降低后期维护成本。安森美半导体的NUD4700 LED电流旁路保护器是一款分流器件，万一LED串中某个LED开路，则会提供电流旁路，确保在某个LED故障的条件下整串LED不会关闭；而且恰当处理散热的话，还可支持1 A以上的大电流。