解決方案：
- 不同功率AC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
- 不同功率DC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
- 特別適合低電流LED照明應(yīng)用的線性恒流穩(wěn)流器
- LED照明解決方案周邊元器件
本文旨在探討LED通用照明市場(chǎng)不同功率范圍及不同電源供電應(yīng)用的要求，以及適用的LED驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)元器件，幫助照明設(shè)計(jì)工程師盡擇適合的元器件方案，加快上市進(jìn)程。
不同功率AC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應(yīng)用所適合的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。如在功率低于80 W的應(yīng)用中，反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)選擇；而在講究高能效的應(yīng)用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導(dǎo)體提供覆蓋寬廣功率范圍的AC-DC LED照明方案，表1列舉了幾種典型的安森美半導(dǎo)體AC-DC LED照明方案。
表1：安森美半導(dǎo)體典型AC-DC LED通用照明解決方案。
從應(yīng)用的功率等級(jí)來(lái)看，AC-DC供電的LED通用照明應(yīng)用包括低功率、中等功率和大功率等不同類型。低功率應(yīng)用的功率范圍通常在1到12 W之間，中等功率涵蓋8到40 W范圍，大功率應(yīng)用的功率常高于40 W。
1)1 W至8 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案
在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面，典型應(yīng)用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應(yīng)用的輸入電壓范圍在交流90至264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA兩種，能效要求為80%，并要求提供短路保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)特性。
在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開(kāi)關(guān)控制IC。這器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V的高壓MOSFET，提供構(gòu)建強(qiáng)固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)及動(dòng)態(tài)自供電功能(無(wú)需輔助繞組)等。
值得一提的是，NCP1015在1 W到8 W LED照明應(yīng)用中，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，滿足客戶的不同應(yīng)用需求。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，方案中包含簡(jiǎn)單的反饋電路和用于負(fù)載開(kāi)路及故障保護(hù)的鉗位電路，安全性高，更適合于需求通過(guò)安規(guī)認(rèn)證的應(yīng)用。非隔離型方案采用抽頭電感來(lái)隔離交流信號(hào)，能提高M(jìn)OSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能。
圖1：基于安森美半導(dǎo)體NCP1015的1至8 W隔離型(a)及非隔離型(b) LED照明方案。
上述基于NCP1015的隔離型及非隔離型方案均不含PFC，但安森美半導(dǎo)體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，為客戶提供更多選擇。
2)8 W至25 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案：無(wú)PFC與有PFC
在8 W-25 W AC-DC LED照明應(yīng)用中，我們要考慮兩種情況。一種是應(yīng)用不要求功率因數(shù)校正(PFC)。另一方面，美國(guó)能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9。但這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)，即可選擇不遵從或遵從。因此，要考慮的另一種情況是要求PFC。
不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應(yīng)用如PAR30、PAR38和嵌燈。在這類應(yīng)用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入)，能效要求大于80%，提供短路保護(hù)及開(kāi)路保護(hù)等保護(hù)特性，恒流輸出電流為350 mA、700 mA及1 A等不同電流。相應(yīng)地，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351，見(jiàn)圖2。
圖2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(無(wú)PFC)
其中，NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開(kāi)關(guān)控制IC，提供800 mA峰值電流，還提供過(guò)功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性，適用于在通用寬電源輸入的應(yīng)用中提供幾瓦至15 W的輸出功率。除了基于NCP1028的無(wú)PFC方案，安森美半導(dǎo)體現(xiàn)也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導(dǎo)通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間脈寬調(diào)制(PWM)控制器，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線反激開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動(dòng)、負(fù)電流感測(cè)及擴(kuò)展的電源電壓范圍等特性。
在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應(yīng)用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。這類應(yīng)用的輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac，能效要求80%，支持350 mA、700 mA及1 A恒流輸出，提供短路及過(guò)壓保護(hù)，功率因數(shù)要求高于0.9。這類應(yīng)用適合采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用PFC升壓段，減少元器件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數(shù)，滿足IEC C類諧波含量要求。這器件能夠直接驅(qū)動(dòng)LED，帶精確恒流輸出控制，在5至15 W的較低輸出功率時(shí)能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現(xiàn)有調(diào)光方案。
圖3：基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)
3)50 W至200 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案
功率高于50 W的AC-DC LED應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明，可以采用不同的LED方案，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范圍。假定其輸入電壓規(guī)格為90--264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過(guò)壓保護(hù)，及350 mA、700 mA和1 A的恒流輸出。此類應(yīng)用可以采用下述不同方案，適應(yīng)不同需求：
NCL30001：?jiǎn)味问絇FC LED驅(qū)動(dòng)器；
NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM；
NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。
圖4：基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案
以NCL30001為例，這是一款電流連續(xù)模式(CCM)控制器，用于40 W到150 W功率范圍的單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。這器件支持20到250 kHz的可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，支持頻率抖動(dòng)和電壓前饋，包含輸入欠壓和過(guò)載定時(shí)器，提供高能效和高功率因數(shù)及強(qiáng)固的保護(hù)特性，圖4是NCL30001的典型應(yīng)用電路圖。
值得一提的是，近年來(lái)，業(yè)界對(duì)超高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)興趣日濃，期望在相對(duì)較低的功率電平(<50 W)提供高于90%的能效，這個(gè)能效目標(biāo)甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過(guò)49 W時(shí)能效高于87%)更高。要達(dá)到這樣高的能效，需要采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如從反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢(shì)。有利的是，安森美半導(dǎo)體早已著手開(kāi)發(fā)能用于LED驅(qū)動(dòng)電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級(jí)版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397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。[page]
不同功率DC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
4)1 W-3 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應(yīng)用包括MR11/MR16、汽車照明、太陽(yáng)能供電等。這類應(yīng)用的輸入電壓為5到28 Vdc，支持350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達(dá)500 kHz至2 MHz，能效不低于90%，工作溫度范圍為-40℃至125℃。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器。這器件擁有專利的開(kāi)關(guān)控制架構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時(shí))，能效高達(dá)94%，并提供LED開(kāi)路保護(hù)、限流和過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)特性。
圖5：CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案。
5)1 W-30 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型1 W-30W DC-DC LED降壓應(yīng)用包括MR16射燈、街道照明中的次級(jí)端DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器。這類應(yīng)用中，輸入電壓范圍為7 至120 Vdc，輸出電壓范圍為6至110 Vdc，支持350 mA、700 mA或1 A恒流輸出，能效不低于90%。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30100降壓LED驅(qū)動(dòng)器，這器件外置開(kāi)關(guān)MOSFET，提供靈活的輸入電壓和輸出電流設(shè)計(jì)，能效高于95%，其應(yīng)用電路圖參見(jiàn)圖6(a)。
圖6：基于NCL30010的1-30 W LED降壓應(yīng)用和基于NCP3066的3-20 W LED升壓應(yīng)用。
6)1 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用
典型3 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用常見(jiàn)于DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器。這類應(yīng)用的輸入電壓為5至28 Vdc，支持350 mA或700 mA恒流輸出，能效不低于90%。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP3065/NCP3066 LED驅(qū)動(dòng)器。NCP3065/NCP3066能夠配置為降壓、升壓、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)和逆變器等不同模式，并提供相應(yīng)的汽車應(yīng)用版本，即NCV3065/NCV3066。圖6(b)顯示的是NCP3066的升壓配置LED應(yīng)用電路圖。
7)1 W-3 W手電筒LED升壓/降壓應(yīng)用
1 W-3 W手電筒LED應(yīng)用中既有升壓型，也有降壓型。升壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為1至2.5 Vdc，工作頻率達(dá)1.2 MHz；降壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc，頻率達(dá)1.7 MHz。兩類應(yīng)用都需支持350 mA或600 mA恒流輸出，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應(yīng)用可采用安森美半導(dǎo)體的NCP1421升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，同等功率范圍的手電筒降壓LED應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1529低壓降壓轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用電路圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。
圖7：基于NCP1421的升壓型和基于NCP1529的降壓型1-3 W手電筒LED應(yīng)用。
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特別適合低電流LED照明應(yīng)用的線性恒流穩(wěn)流器
前文根據(jù)不同的供電類型，探討了不同功率范圍LED應(yīng)用的要求及適合采用的驅(qū)動(dòng)電源方案。但縱觀不同的LED照明應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)有一類應(yīng)用側(cè)重于低電流應(yīng)用，典型應(yīng)用如商業(yè)和工業(yè)標(biāo)識(shí)牌、汽車停車燈和尾燈，以及建筑物和裝飾照明等。這類低電流LED應(yīng)用常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方案包括低壓降線性穩(wěn)壓器和電阻等。這兩種驅(qū)動(dòng)方案各有其優(yōu)劣勢(shì)。
有利的是，安森美半導(dǎo)體利用正申請(qǐng)專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù)，結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力，推出一種新的低電流LED驅(qū)動(dòng)方案——NSI45系列雙端和三端線性恒流穩(wěn)流器(CCR)。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡(jiǎn)單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補(bǔ)了市場(chǎng)空隙。NSI45系列提供眾多優(yōu)勢(shì)，如在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時(shí)保護(hù)LED免受過(guò)驅(qū)動(dòng)影響，輸入電壓較低時(shí)仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫(kù)存，以及幫助降低系統(tǒng)總成本等，非常適合低電流LED電流應(yīng)用。
LED照明應(yīng)用方案周邊元器件
眾所周知，LED照明系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及光學(xué)、電和熱等不同范疇。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供完整的LED照明解決方案，除了驅(qū)動(dòng)電源外，還包括通信、光傳感器、MOSFET、整流器、保護(hù)、濾波器和熱管理產(chǎn)品，參見(jiàn)圖8。
例如， LED環(huán)境光及街燈強(qiáng)度控制、LED背光強(qiáng)度控制和顯示屏白平衡控制等應(yīng)用需要能耗極低的環(huán)境光傳感器，并要求光傳感器支持精確的低光等級(jí)工作，特別是在存在濾光的情況下。在這類應(yīng)用中，安森美半導(dǎo)體提供包括光傳感器、LED驅(qū)動(dòng)器及高速I2C接口的光電產(chǎn)品組合，其中的光傳感器產(chǎn)品包括NOA1211(模擬輸出)、NOA1302(數(shù)字輸出)和NOA1305(數(shù)字輸出)等。這些光傳感器的工作電流極低，在100流明光輸出條件下分別僅為58 μA、550 μA和115 μA。
此外，LED街燈等應(yīng)用為了降低后期維護(hù)成本，可在應(yīng)用中增加保護(hù)器件，如采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700，在發(fā)生LED開(kāi)路故障條件時(shí)提供旁路電流，保證其它LED正常工作，且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支持大于1 A電流。另外，在智能電網(wǎng)趨勢(shì)下，工程師還可以在LED聯(lián)網(wǎng)街燈應(yīng)用中采用安森美半導(dǎo)體的AMIS-30585和AMIS-49587電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器及NCS5650 PLC線路驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品。除此之外，安森美半導(dǎo)體的BC858CDXV6T1G雙極結(jié)晶體管(BJT)也可用于在LED照明應(yīng)用的低能耗恒流感測(cè)。
圖8：安森美半導(dǎo)體能為L(zhǎng)ED照明應(yīng)用提供完成光電組合產(chǎn)品解決方案。
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