1、安森美半導(dǎo)體高能效LED通用照明解決方案通用照明市場(chǎng)常用的光源包括白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)、線性熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)以及新興的高亮度發(fā)光二極管(HB LED)等。隨著人們綠色環(huán)保意識(shí)的提高，通用照明市場(chǎng)也成為業(yè)界致力提高能效的重要目標(biāo)。 就能效(總輸出流明與輸入功率比，lm/W)而言，不同的通用照明光源中，白熾燈的能效相對(duì)較低，標(biāo)準(zhǔn)60 W白熾燈能效范圍介于10至13 lm/W之間(總輸出為600至800 lm)，而CFL的典型能效達(dá)55至60 lm/W(由于光損耗，55 lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間)。其它的光源，如金屬鹵素HID燈能效約在80

2、 lm/W，但在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。 圖1：通用照明光源的發(fā)展趨勢(shì) 相比較而言，LED擁有著越來(lái)越高的能效，業(yè)界近期宣稱的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136 lm/W，色溫達(dá)(4,500-6,000K)。實(shí)際上，LED的低壓、小體積、定向光、固態(tài)器件、長(zhǎng)工作壽命等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于通用照明特別具有吸引力。 LED通用照明系統(tǒng)面臨的要求及挑戰(zhàn) 對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來(lái)分析其要求?？偟膩?lái)看，LED通用照明系統(tǒng)涉及到LED光源(緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率)、電源轉(zhuǎn)換(將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源)、控制和驅(qū)動(dòng)(采

3、用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制)、熱管理(結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命)及光學(xué)器件等。 要開(kāi)發(fā)高能效的LED通用照明解決方案，這幾方面的要求都非常重要。其中，本文主要討論LED的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)在下文的太陽(yáng)能供電街燈照明示例中結(jié)合討論高效的電源轉(zhuǎn)換問(wèn)題。 對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。這主要體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無(wú)論輸入條件和

4、正向電壓如何變化。 對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光技術(shù)；而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3 kHz。此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。 通用照明電源轉(zhuǎn)換及LED驅(qū)動(dòng)示例 根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來(lái)供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。 1) 采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電許多高亮度LED應(yīng)用工作在高至40 VDC范圍

5、的電源，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。 以太陽(yáng)能電池板供電為例，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中析取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn))盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。 圖2：安森美半導(dǎo)體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應(yīng)用示意圖 最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至

6、優(yōu)化電量。具體而言，當(dāng)我們實(shí)際上無(wú)法改變負(fù)載時(shí)，MPPT功能使太陽(yáng)能電池“認(rèn)為”負(fù)載正在發(fā)生變化；通過(guò)這種方式，MPPT“欺騙”太陽(yáng)能板輸出不同電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電池。 安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽(yáng)能板電池充電控制應(yīng)用，推出CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器(見(jiàn)圖2)，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V，輸出為12 V2 A，并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護(hù)特性。這控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控；能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽(yáng)能板應(yīng)用。 而在后續(xù)的LED驅(qū)動(dòng)方面，可以選用安森美半導(dǎo)體的NCP3066驅(qū)動(dòng)方案。NCP3066是一款高亮

7、度LED恒流降壓穩(wěn)壓器，帶專用“啟用”引腳用于實(shí)現(xiàn)低待機(jī)能耗，具有平均電流感測(cè)功能(電流精度與LED正向電壓無(wú)關(guān))，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測(cè)電阻。這器件不需要環(huán)路補(bǔ)償，易于設(shè)計(jì)。需要指出的是，NCP3066也可用作控制器，如可采用100 V外部N溝道FET來(lái)進(jìn)行升壓。這器件支持4至30 W功率的不同應(yīng)用，且提供不同MOSFET選擇。 除了太陽(yáng)能供電街道照明應(yīng)用外，在針對(duì)新興的高亮度、高視覺(jué)沖擊力LED建筑物照明的RGB LED像素控制應(yīng)用中，還可以采用安森美半導(dǎo)體的三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器CAT4103。CAT4103為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

8、它具有高速串行接口，能夠支持達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式(長(zhǎng)距離)、菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。 CAT4103支持每通道達(dá)175 mA的寬廣范圍LED恒流驅(qū)動(dòng)，電流為60 mA時(shí)壓降電平至0.3 V ，確保在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)串LED時(shí)提供最高性能。這種驅(qū)動(dòng)器每通道支持25 V的電壓電平，能夠以超過(guò)10瓦(W)的高亮度功率電平支持RGB像素。 圖3：安森美半導(dǎo)體CAT4103三通道線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用示意圖。 2) 采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電 在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈

9、泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。 以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的

10、離線式PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。 圖4：原50 W鹵素臺(tái)燈、所用變壓器及改造后所用的LED及驅(qū)動(dòng)電路板。 為了展現(xiàn)LED的替代優(yōu)勢(shì)，安森美半導(dǎo)體近期對(duì)一款從市場(chǎng)上所購(gòu)得的50 W鹵素臺(tái)燈進(jìn)行了改進(jìn)(見(jiàn)圖4)，它改用LED燈并采用安森美半導(dǎo)體的NCP1014開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器再輔以適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計(jì)后，光輸出更

11、高，但能耗僅為原臺(tái)燈的1/9。實(shí)際上，安森美半導(dǎo)體改進(jìn)的這臺(tái)燈的總能耗甚至比基于變壓器的原鹵素臺(tái)燈的電能損耗更低(有關(guān)這轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)安森美半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)白皮書(shū)TND358，網(wǎng)址：/pub_link/Collateral/TND358-D.PDF)。 值得一提的是，在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動(dòng)器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問(wèn)題。在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡(jiǎn)單，但在總體能效方面會(huì)有折衷，如假設(shè)交流-直流(AC-DC)段的能效為

12、87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，這種架構(gòu)預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。 保護(hù)通用照明應(yīng)用中的LED 如前所述，LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為L(zhǎng)ED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長(zhǎng)ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。

13、必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。圖5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。 在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100 A；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開(kāi)路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA 3 V)，如果散熱處

14、理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。 圖5：安森美半導(dǎo)體NUD4700 LED開(kāi)路分流保護(hù)器的應(yīng)用示意圖 總結(jié)： LED所擁有的眾多優(yōu)勢(shì)使其在通用照明市場(chǎng)越來(lái)越受到青睞。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，不論是采用離線交流電源或是寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源供電的LED照明應(yīng)用，都能提供高能效的電源轉(zhuǎn)換控制及LED驅(qū)動(dòng)解決方案，滿足相關(guān)應(yīng)用需求，并提供極高能效，支持節(jié)能環(huán)保的最新趨勢(shì)，受到客戶的推崇。該芯片型號(hào)為P1014AP10,它是安森美半導(dǎo)體公司(ON Semiconductor)推出的電源管理芯片NCP101系列中的一種。NCP101系列包含NCP1

15、010、NCP1011、NCP1012、NCP1013和NCP1014等型號(hào),具有PDIP-7、PDIP-7GULL WING、SOT-223 三種封裝,最大電流450mA。NCP101系列除了應(yīng)用在小功率AC-DC的轉(zhuǎn)換外,還可以用來(lái)設(shè)計(jì)取代家用電器及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域小功率線性電源。它不僅可以去掉體積大成本高的變壓器,而且克服了阻容降壓式線性電源負(fù)載特性差等缺點(diǎn)。 P1014封裝方式和引腳功能如圖14,其中為芯片供電端,為空腳,/為接地端,為反饋輸入引腳,為功率MOSFET的漏極輸出引腳,芯片內(nèi)部功能如圖15所示。該芯片的工作頻率最高可達(dá)130kHz,從而簡(jiǎn)化了變壓器設(shè)計(jì)工藝,可采用小尺寸的開(kāi)關(guān)

16、變壓器。此外芯片的工作頻率經(jīng)抖動(dòng)處理后顯著地降低了電磁干擾(EMI),可以省略開(kāi)關(guān)電源交流輸入前端的抗干擾電路。 在圖13中,開(kāi)關(guān)變壓器(T1)初級(jí)主繞組()和P1014芯片組成開(kāi)關(guān)振蕩電路,副主繞組()通過(guò)D6、RY2和C02為P1014芯片提供工作電源。光電耦合器PC817的腳(UY2)和開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)部分可調(diào)式精密三端穩(wěn)壓塊TL31(UY3)并聯(lián)用于3.3V的輸出檢測(cè),將檢測(cè)的變化電壓通過(guò)PC817的腳反饋到P1014芯片的腳,然后通過(guò)芯片內(nèi)部的功率MOSFET開(kāi)關(guān)控制,使得次級(jí)獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出。該開(kāi)關(guān)電源電路為接收機(jī)提供3.3V、20V兩組電源,其中3.3V一組為主芯片、存儲(chǔ)芯片

17、、音頻DAC芯片提供工作電壓;20V一組(帶載實(shí)測(cè)為18.5V)一方面通過(guò)電阻降壓后為雙運(yùn)放芯片提供12V(帶載實(shí)測(cè)為10.5V)工作電壓,另外一方面為13/18V極化電壓切換電路提供電源。 經(jīng)檢查,用戶送來(lái)的這臺(tái)雷擊機(jī)除了UY1損壞外,熔斷器F1、整流二極管VD1也損壞,更換后故障解除。 13/18V極化電壓切換電路 在電源板上還有13/18V極化電壓切換電路,由于是普通的免費(fèi)接收機(jī),因此在電路上沒(méi)有采用常規(guī)的LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片,而是采用低成本的分立元件方案,如圖16所示。 在圖15中,當(dāng)接收水平極化的信號(hào)時(shí),H/V端接收到來(lái)自DVB-S板上的低電壓信號(hào)(實(shí)測(cè)為17.0V),使得三極

18、管Q2導(dǎo)通,由D7輸出的20V電壓經(jīng)過(guò)D10、D9兩只IN4007二極管組成的串聯(lián)電路降壓0.72=1.4(V)后,送到LNB的電壓則為18.5-1.4=17.1(V);而當(dāng)接收垂直極化的信號(hào)時(shí),H/V端為高電壓信號(hào)(實(shí)測(cè)為17.3V),三極管Q2截止,由D7輸出的20V電壓還要經(jīng)過(guò)D11D13組成的串聯(lián)電路降壓,由于每只DS15二極管的壓降為1.4V,因此LNB實(shí)際輸出的電壓為17.1-1.43=12.9(V),這樣就完成極化電壓切換。22kHz的切換脈沖信號(hào)通過(guò)Q1放大調(diào)制到LNB輸出回路中,完成Ku波導(dǎo)雙本振頻高頻頭、22kHz開(kāi)關(guān)、DiSEqC四切一等器件的切換功能。 此電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,節(jié)省成本,雖然此電路沒(méi)有LNB短路保護(hù)功能,但可以充分利用P1014芯片自身的負(fù)載過(guò)流保護(hù)功能到達(dá)同時(shí)保護(hù)的目的,不過(guò)待機(jī)時(shí)LNB供電不可以被關(guān)斷,長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí),使用者應(yīng)采用交