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通用照明市场中的高亮度LED驱动挑战暨安森美半导体解决方案通用照明市场中的高亮度LED驱动挑战暨安森美半导体解决方案boulifairy导语：近年来，随着绿色环保团体不断扩大节能环保界限，各个规范标准组织不断发布新的能效标准近年来，随着绿色环保团体不断扩大节能环保界限，各个规范标准组织不断发布新的能效标准，同时，终端产品不断向更高集成度和更小尺寸的方向发展，降低能源消耗、提高能源使用效率已经成为全球诸多国家的政府、行业组织、半导体公司、电子产品制造商及消费者所共同关注的一项焦点。从详细应用来看，通用照明市场涵盖的领域非常广泛，包括建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。在通用照明市场，目前常用的光源包括白炽灯、紧凑型荧光灯(CFL)、线性荧光灯、高强度气体放电灯(HID)以及新兴的高亮度发光二极管(HBLED)等。假如我们基于能效基准对不同光源进行比拟，那么用于衡量照明的一个重要指标便是总输出流明与输入功率比，以每瓦流明数(lm/W)来衡量，称作能效(efficacy)。在不同的照明解决方案中，白炽灯的能效相对较低。对于标准的60W白炽灯而言，其能效范围介于10至13lm/W之间(总输出为600至800lm)。相对而言，CFL的能效要高得多，典型能效达55至60lm/W。不过，CFL属于全方向照射，安装在灯具中时，光会被直射、反向或遮蔽，进而带来光损耗，使得55lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50lm/W之间。其它的光源，如HID也拥有着比白炽灯更高的能效，1款100W金属卤素HID灯大约能够产生8,000流明的输出，即能效在80lm/W；不过，象CFL一样，HID的光输出是全方向，在灯光投射途径上会有大量的损耗。相比拟而言，LED是一种新兴的光源技术。最常见的白光LED是镀磷(激发时会发黄光)的蓝色LED。LED拥有着越来越高的能效，业界最近宣称的最强的白光LED研发能力到达了132至136lm/W，色温达(4,500-6,000K)。实际上，近年来，业界在将LED用于通用照明市场的兴趣不断增加。对于通用照明而言，LED拥有诸多具有吸引力的特性。LED通用照明要求及LED驱动挑战对于LED在通用照明中的应用，需要从系统的角度来分析其要求。总的来看，LED固态照明系统涉及下面要求：·LED光源：光源紧凑高效，提供宽广范围的色彩和输出功率·电源转换：将沟通墙式插座、电池、太阳能电池的电源高效地转换至安全的低压直流电源·控制和驱动：采用电子电路对LED进行稳压和控制·热管理：为了实现更长的工作寿命，结点温度控制非常重要，需要分析散热·光学器件：将光聚焦至需要它的地方要求使用透镜或导光材料在开发高能效的LED通用照明解决方案时，这几方面的要求都非常重要。其中，LED控制和驱动是本文讨论的重点。对于LED驱动而言，它面临的主要挑战就在于LED的非线性。这主要体如今LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压会有差异，LED“色点会随着电流和温度而漂移，而且LED必须在规范要求的范围内工作进而实现可靠工作。而LED驱动器的主要作用，就是在工作条件范围内限制电流，而无论输入条件和正向电压怎样变化。对于LED驱动电路而言，除了进行恒流稳流，还面临着其它一些关键要求。例如，假如需要LED调光，则需要提供脉宽调制(PWM)技术，而用于LED调光的典型PWM频率是1至3kHz。此外，LED驱动电路的功率处理能力必须充足，且功能强固，能够承受多种故障条件，并且要易于实现。值得一提的是，由于LED在最适宜电流时始终处于“导通状态，所以其色彩不会漂移。由于系统中需要使用的LED数量经常不止一个，这就涉及到对LED进行配置的问题。一般而言，强烈建议驱动单串LED，由于这样能够提供最佳的电流匹配，而与正向电压变化或输出电压“漂移无关。当然，用户可以以并联或串联、并联穿插连接等方式来配置LED。假如采用并联配置，电路就需要“匹配的LED正向电压；假如某个LED失效开路，其它LED可能会被过驱动。相应地，采用多路并联或串联、并联穿插连接技术，可用于尝试减轻发生故障的风险。LED驱动应用示例根据详细应用的不同，LED可能会采用不同的电源来供电，如沟通线路、太阳能板、12V汽车电池、直流电源或低压沟通系统，甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。1)采用沟通离线电源为LED供电在采用沟通离线电源为LED供电的应用中，涉及到诸多不同的应用场合，如电子镇流器、荧光灯替代、交通信号灯、LED灯泡、街道和停车照明、建筑物照明、障碍灯和标志等。在这些从沟通主电源驱动大功率LED的应用中，有两种常见的电源转换技术，即在需要电流隔离(galvanicisolation)时使用反激转换器，或在不需要隔离时使用较为简单的降压拓扑构造。在反激转换器方面，根据输出功率的不同，能够采用安森美(ON)半导体的不同反激转换器。例如，安森美半导体的NCP1013合适于功率高达5W(电流为350mA、700mA或1A)的紧凑型设计应用，NCP1014/1028能够提供高达8W的连续输出功率，而NCP1351则合适于大于15W的较大功率通用应用。以NCP1014/1028为例，这是安森美半导体推出的离线式PWM开关稳压器，具有集成的700V高压MOSFET，均采用350mA/22Vdc变压器设计及700mA/17Vdc配置，输入电压范围为90至265Vac，具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(EMI)信号以及内置热关闭保护等特性，合适于LED镇流器、建筑物照明、显示器背光、标志和通道照明及作业灯等应用。值得一提的是，这设计具有开路输出保护功能，会在开路时将输出钳位至24V电压。在这设计中，电流和开路电压能够通过简单地改变电阻/齐纳二极管组合来调整。值得一提的是，假如针对230Vac沟通线路使用另一种可选变压器，则NCP1014能够提供高达19W的功率，NCP1028能够提供高达25W的功率。2)采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电有一系列高亮度LED应用工作在8至40VDC范围的电源，这些电源包括铅酸电池、12-36VDC适配器、太阳能电池以及低压的12和24VAC沟通系统。这类的照明应用诸多，如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明，以及陈列柜照明等。即便目的是采用恒定电流驱动LED，首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化。LED的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定。凭借这些信息，就能够选择恰当的线性或开关电源拓扑构造，如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多形式LED控制器，它集成1.5A开关，能够设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑构造。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40V，具有235mV的低反应电压，工作频率可调节，最高250kHz。其它特性包括：能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。为LED提供保护如前所述，LED是一种使用寿命极长的光源(可长达5万小时)。除了需要针对详细的LED应用选择合适的LED驱动解决方案，还需要为LED提供适当的保护，由于偶然LED也会失效。其原因多种多样，可能是由于LED早期失效，可以能是由于局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效。必须对这些可能的失效提供预防措施，十分是由于某些应用属于关键应用(故障停机成本高)，或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等)，或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等。在LED正常工作时，泄漏电流仅为近100A；而在遭遇瞬态或浪涌条件时，LED就会开路，这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活，所带来的压降仅为1.0V，将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装，设计用于1WLED(额定电流为350mA3V)，假如散热处理恰当，也支持大于1A电流的操作。总结相较于白炽灯等传统光源，LED具有能效高、寿命长、指向性好等诸多优势，越来越受业界青睐用于通用照明市场。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，需要从系统的角度去考虑，如光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等。本文以LED驱动为重点，分析了通用照明市场中LED驱动面临的挑战，并结合安森美半导体的高性能LED驱动解决方案，讨论了不同的LED驱动应用示例，如通过沟通隔离电源为LED供电和通过宽输入范围DC-DC电源为LED供电等；最后，还介绍了能够用于需要高可靠性和持续性的LED应用中的安森美半导体LED分流保护解决方案。0