隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日漸增強(qiáng),，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注能源消耗對(duì)環(huán)境的影響,。在各種能源消耗途徑中，據(jù)統(tǒng)計(jì),，有高達(dá)20%至22%的電能用于照明,。提高照明應(yīng)用的能源使用效率乃至進(jìn)一步降低其能源消耗，有助于減少二氧化碳排放,，造就更加綠色環(huán)保的世界。因此,，高能效照明正在成為業(yè)界競(jìng)逐的一個(gè)焦點(diǎn),。
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(bollards),、洗墻燈(wall wash),、外墻燈(wall pack)、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(low bay),、高頂燈(high bay)、冷凍柜/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(如金屬鹵化物燈(MHL),、高壓鈉燈(HPS)、線性螢光燈(LFL)及緊湊型螢光燈(CFL))存在著不少侷限,，如高壓鈉燈的演色性差(CRI約為22),，金屬鹵化物燈的典型燈具損耗較高(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，線性螢光燈的冷溫度性能差,，緊湊型螢光燈的啟動(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,、色彩品質(zhì)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,。
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)功率因子或諧波含量的規(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的照明裝置(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子(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)街燈以計(jì)時(shí)器或環(huán)境光傳感器來(lái)自主控制。而利用電力線通訊(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智慧控制技術(shù)在節(jié)省電能之余,，還不會(huì)損及安全性。典型應(yīng)用有如智慧雙亮度等級(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援根據(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,。如此就利于大量節(jié)省額外的電能消耗,。
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/模組化方案
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“功率因子校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構(gòu),。此種架構(gòu)中,，交流輸入電源經(jīng)過(guò)功率因子校正和隔離型直流-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模組(見(jiàn)圖2),。此種架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了能夠現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的模組化途徑，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,。此種架構(gòu)(light bar)下,，交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動(dòng)電路并未整合在一起，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(linear lighting)及線槽燈(cove lighting)等,。
圖2：典型的模組化LED區(qū)域照明電源架構(gòu)示意圖,。
在此種模組化途徑下，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模組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,，并相容于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，周邊的N溝道MOSFET支援高壓輸入：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/模組化方案,。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。在此種條件下,，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功率因子校正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,，此種方案整合了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,。此種方案相當(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光條中整合的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換器,。此種整體式方案的電源轉(zhuǎn)換段更少,，減少元件使用數(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，并支援更高的LED電源總體能效,。當(dāng)然,，此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。
安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一款功率達(dá)90 W,、電流0.7 A至1.5 A,、電壓低于60 V的單段式高功率因子LED驅(qū)動(dòng)器演示板。該演示板采用了NCL30001 LED驅(qū)動(dòng)器及帶脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光功能的NCS1002次級(jí)端恒壓恒流(CVCC)控制器(見(jiàn)圖4),，適合LED街燈等區(qū)域照明應(yīng)用,。
此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援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,，用于類比電流調(diào)節(jié)/雙亮度等級(jí)數(shù)字調(diào)光等智慧調(diào)光應(yīng)用,。此外,，此演示板還提供短路保護(hù)、開(kāi)路保護(hù),、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及過(guò)壓保護(hù)等豐富保護(hù)特性,。測(cè)試顯示,，此演示板在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%(詳見(jiàn)表1),，在50%至100%負(fù)載條件下功率因子高于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(cè)試結(jié)果,。
3) 用于更大功率區(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(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%),。要提供如此高的能效,，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(kāi)關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢(shì),。
在此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50到300 W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用,。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器，整合了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，支援可調(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5：基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源配置,。
增強(qiáng)LED串可靠性的保護(hù)方案
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(kāi)路,，那么整串LED就可能關(guān)閉,，而街道照明等應(yīng)用中要避免此種狀況，從而降低后期維護(hù)成本,。安森美半導(dǎo)體推出了NUD4700 LED電流旁路保護(hù)器,。此元件是一款分流元件，萬(wàn)一LED串中某個(gè)LED開(kāi)路,，則會(huì)提供電流旁路,，確保在某個(gè)LED故障的條件下整串LED不會(huì)關(guān)閉；而且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支援大于1 A的大電流,。