中心議題：

• LED區(qū)域照明應用要求
• LED區(qū)域照明電源架構
• 典型大功率LED區(qū)域照明驅動方案
• NUD4700分流器件增強LED串的可靠性

解決方案：

• 分布式/模塊化方案
• 整體式/單段式方案
• 高能效LLC拓撲結構驅動電源

LED越來越多地開始被用于大功率區(qū)域照明，如高頂燈,、停車庫照明,、洗墻燈、街燈,、隧道照明等。隨著LED照明技術的不斷演進，應用于大功率LED區(qū)域照明應用的驅動方案需要不斷更新,、改進，使LED控制達到新高度,，實現(xiàn)智能控制,，增強節(jié)能和延長LED工作壽命。本期大講臺將在介紹LED區(qū)域照明應用的要求及LED區(qū)域照明電源架構的基礎之上,，重點介紹安森美半導體在大功率LED區(qū)域照明方面的一些典型驅動方案,，以幫助工程師進行大功率LED區(qū)域照明設計。

LED區(qū)域照明應用要求

LED驅動器的主要功能就是在多種條件下限流,，并保護LED免受浪涌及其它故障條件影響,，以及提供某種等級的安全性，避免(電氣和/或機械方式的)震動及著火,，可能需要“智能”控制光輸出等級,，來配合遠程控制、監(jiān)控及保護 ,。對于區(qū)域照明應用而言,，室外環(huán)境會給LED驅動器帶來溫度挑戰(zhàn)，且可能需要承受277 Vac,、347 Vac或者甚至480 Vac等比標準電壓更高的交流輸入電壓,。

區(qū)域照明應用的LED驅動器可能還需要符合某些有關功率因數(shù)或諧波含量的規(guī)范標準。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)的IEC61000-3-2標準對功率超過25 W的照明設備(C類)的諧波含量提出了要求,，相當于總諧波失真(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(如美國)通常要求PF高于0.9及THD低于20%,。

很多區(qū)域照明應用都在室外,，可能會經受各種嚴格溫度條件，從而使總體使用壽命受到影響,。而總體系統(tǒng)設計對使用壽命有重要影響,，故使用內部發(fā)熱較少、損耗更低的高能效LED驅動器非常重要,，而且在設計中要對驅動器與LED熱源進行熱隔離,，從而增強系統(tǒng)可靠性。

區(qū)域照明驅動器示例如圖1所示。

圖1  區(qū)域照明驅動器示例

LED區(qū)域照明電源架構

LED區(qū)域照明電源需要很多顆1 W LED來產生所要求的流明輸出(40到超過100顆),，要可以調節(jié)設計以用于多種不同的光等級,，此外，街燈要求特殊的光分布,，對光電器件有要求,。大功率LED區(qū)域照明應用中，一種常見的電源架構是“功率因數(shù)校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構,。這種架構中,，交流輸入電源經過功率因數(shù)校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉換后，輸出24至80 Vdc的固定電壓,，提供給后面內置DC-DC降壓轉換電路的恒流LED模塊(見圖2),。這種架構的設計提供了能夠現(xiàn)場升級的模塊化途徑，可根據(jù)實際需求,，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)域照明應用要求,。

圖2  典型的模塊化LED區(qū)域照明電源架構示意圖

1）適合線性燈,、線槽燈等應用的分布式/模塊化方案
在“功率因數(shù)校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架構下，交流-直流(AC-DC)轉換與LED驅動電路并未集成在一起,，而是采用分布式配置,，既簡化安全考慮又增強系統(tǒng)靈活性，也稱作分布式方案,，典型應用包括線性燈及線槽燈等,。

在模塊化途徑下，一項設計能夠擴展用于多種光輸出等級,。而且隨著LED光輸出性能增強,，LED模塊要提供相同光輸出等級，所需采用的燈條就更好,。而每個燈條都設有一個專用的DC-DC LED驅動器，如可以采用安森美半導體的CAT4201高能效降壓LED驅動器,。CAT4201專門優(yōu)化用于驅動大電流LED,，采用具有專利的開關控制算法，提供高能效及精確的LED穩(wěn)流(可達350 mA),。CAT4201的工作簡化框圖如圖3所示,。

圖3  CAT4201工作簡化框圖

CAT4201可采用最高36 V的電源電壓供電，并兼容于12 V和24 V標準照明系統(tǒng),。圖4顯示的是CAT4201的高壓LED驅動器配置,，外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入：100 V輸入電壓時LED功率達30 W；50 V輸入時LED功率達13 W。

圖4  CAT4201高壓LED驅動器配置

典型高壓降壓LED驅動器性能如圖5所示,，從圖中可以看出當Vf/Vin大于0.8時,，CAT4201可以提供93%至95%范圍的能效。

圖5  典型高壓降壓LED驅動器性能

2) 適合洗墻燈,、外墻燈等應用的整體式/單段式方案
區(qū)域照明應用除了采用分布式/模塊化方案之外,，還可采用整體式/單段式方案。例如可以采用安森美半導體的NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調光LED驅動器,。

NCL30001是一種單段拓撲結構LED驅動方案,，其靈活的特性非常適合應用于新的LED照明產品，其他規(guī)格特性還包括高壓啟動電路,、電壓前饋以改善環(huán)路響應,、輸入欠壓檢測、內部過載定時器,、閂鎖輸入,，以及減少輸入線路諧波的高精度乘法器。這種方案采用連續(xù)導電模式(CCM)工作,，集成了PFC和隔離型DC-DC轉換電路,，并提供恒定電流來直接驅動LED，相當于將AC-DC轉換與LED驅動兩部分電路整合在一起,，均位于照明燈具內,，省去了LED光條中集成的線性或DC-DC轉換器。這種整體式方案的電源轉換段更少,，減少元器件使用數(shù)量(如光學元件,、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)域照明應用，其光學圖案可能更適合較低功率的LED,，典型應用包括LED街燈,、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等,。

NCS1002是一款帶PWM調光功能的次級端恒壓恒流(CVCC)控制器,，適合LED街燈等區(qū)域照明應用，配合NCL30001控制器更可以設計出高功效,、具有調光功能的LED驅動器演示板,?；贜CL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W LED驅動器演示板電路如圖6所示。

圖6  基于NCL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W LED驅動器演示板電路

安森美半導體提供的這款基于NCL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W恒壓恒流演示板,，可接受90至265 Vac的擴展通用輸入電壓(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及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍(可通過電阻分壓器來選擇)，最大輸出功率90 W,，支持50至1,000 Hz調光控制,，并包含可連接至可選調光卡的6引腳接口，用于模擬電流調節(jié)/雙亮度等級數(shù)字調光等智能調光應用,。此外,，這款演示板還提供短路保護、開路保護,、過溫保護,、過流保護及過壓保護等豐富保護特性。測試結果表明,，如表1所示,，這演示板在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%,，在50%至100%負載條件下功率因數(shù)高于0.9,，同時符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準。

表1  基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驅動器演示板能效測試結果

3) 適合更大功率區(qū)域照明應用的高能效LLC拓撲結構驅動電源
近年來,，業(yè)界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃,，期望在更大功率的50 W至250 W LED區(qū)域照明應用中提供高能效(如高于90%)。要提供這樣高的能效,，需要采用高能效的電源拓撲結構,，如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓撲結構，從而充分發(fā)揮零電壓開關(ZVS)的優(yōu)勢,。

LLC拓撲結構采用串聯(lián)類型的諧振轉換器,，能在相對寬的輸入電壓和輸出負載范圍下工作。此外,，由于諧振儲能元件可以部分或完全集成在主變壓器中,，LLC拓撲結構只需要數(shù)量有限的元器件。再加上在所有負載條件下,，LLC拓撲結構的初級開關都能工作在零電壓開關條件,，次級整流器都能工作在零電流開關條件。所以,，LLC拓撲結構是高性價比、高能效及優(yōu)化了電磁干擾的解決方案,。

在這類要求超高能效的更大功率LED區(qū)域照明應用中,，可以結合采用安森美半導體的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100到300 W范圍的高能效LED街道照明應用，如圖7所示,。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器,，集成了600 V高壓浮動驅動器，支持50到500 kHz的高頻工作,，內置高端和低端驅動器,，支持可調節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效,，并具備多種故障保護特性,。

圖7  基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案

NUD4700分流器件增強LED串可靠性

區(qū)域照明應用中通常會采用多串LED，雖然LED本身可靠性高,，但若LED串中的某個LED開路,，那么整串LED就可能關閉，而街道照明等應用中必須避免這種狀況,，從而降低后期維護成本,。為了增強LED串的可靠性，這種安森美半導體推出了NUD4700 LED電流旁路保護器,。NUD4700器件是一款分流器件,，當LED串中某個LED開路時，就會提供電流旁路,，確保整串LED不會關閉,；而且恰當處理散熱的話，還可支持大于1 A的大電流,，其工作原理如圖8所示,。

圖8  NUD4700工作原理

總結

本文主要介紹了安森美半導體提供的幾種典型大功率LED區(qū)域照明應用驅動方案，包括CAT4201降壓LED驅動器,、NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調光LED驅動器,、基于NCL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W LED驅動器演示板以及NCP1607 PFC控制器及NCP1397諧振半橋LLC控制器方案，這些方案具有高效,、可靠的特點,，工程師在設計大功率LED照明的時候不妨拿來使用，或作為參考,。