安森美高能效智能LED驅(qū)動(dòng)器方案 配合通用照明趨勢(shì)

　　照明用電是全球能耗的一項(xiàng)重要來源。據(jù)推算，中國(guó)照明用電約占全社會(huì)用電量的12%左右。在各種照明燈具中，歷史悠久但能效較低的白熾燈的應(yīng)用仍然非常廣泛，如果限制低能效光源的使用、同時(shí)大力地推廣及應(yīng)用更高能效及環(huán)保的光源，將利于節(jié)能。

　　因此，包括中國(guó)在內(nèi)，世界上多個(gè)國(guó)家制定政策，分階段淘汰白熾燈泡。如中國(guó)計(jì)劃于2015年60W以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。熒光燈及緊湊型熒光燈(CFL)的能效比白熾燈高，在市場(chǎng)上已經(jīng)應(yīng)用多年。但熒光燈含劇毒物質(zhì)汞，所引發(fā)的環(huán)保顧慮越來越多。

　　相比較而言，LED在發(fā)光效率等各方面的性能不斷提升，還兼具環(huán)保及長(zhǎng)壽命特性，越來越受重視。實(shí)際上，LED筒燈和改裝燈泡已經(jīng)擁有比白熾燈、鹵素?zé)艋駽FL等現(xiàn)在照明技術(shù)更高的能效。而在成本方面，研究發(fā)現(xiàn)，與2010年相比，LED的價(jià)格已經(jīng)加速下降(每年下降13%至24%)，預(yù)計(jì)未來幾年仍會(huì)持續(xù)下降，將幫助降低LED燈泡及燈具的成本。

　　因此，世界各國(guó)紛紛看好及推動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，規(guī)劃到2015年LED功能性照明產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達(dá)20%以上，LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長(zhǎng)30%左右，2015年產(chǎn)值達(dá)4,500億元(折合720億美元)。

　　LED通用照明應(yīng)用及發(fā)展前景

　　LED除了廣泛應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備、中大尺寸液晶顯示屏(LCD)背光及LED標(biāo)牌等領(lǐng)域外，如今也在越來越多地用于LED汽車內(nèi)部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車燈、儀表盤背光、車頂燈、閱讀燈和氛圍燈等，以及住宅照明和建筑物裝飾照明等LED通用照明。

　　LED通用照明應(yīng)用覆蓋寬廣功率范圍，低至3W到15W的LED住宅照明，中等功率有如15W至75W的商業(yè)及建筑物裝飾性照明，高至75W到250W的戶外及基礎(chǔ)設(shè)施照明，典型照明產(chǎn)品有如MR16/GU10燈、E27/A19燈泡、鎮(zhèn)流器、筒燈、T8燈管、街燈等。

　　LED通用照明應(yīng)用極具發(fā)展前景。各種LED通用照明燈具中，近期來看，LED燈泡(如A19LED燈泡)的發(fā)展勢(shì)頭驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球LED燈泡出貨量達(dá)7.35億只，2013年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到12.25億只;預(yù)計(jì)到2014年將迎來LED燈泡市場(chǎng)的引爆點(diǎn)，屆時(shí)LED燈泡價(jià)格將會(huì)降至10美元以下，出貨量預(yù)計(jì)較2013年增長(zhǎng)約85%，達(dá)22.70億只;而到2015年出貨量將進(jìn)一步增長(zhǎng)至39億只。

　　高能效驅(qū)動(dòng)器是LED通用照明的重點(diǎn)

　　要將LED照明的節(jié)能功能發(fā)揮至最高，就需要高能效的LED驅(qū)動(dòng)器。我們以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅(qū)動(dòng)電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件，見圖2的左半部分。就驅(qū)動(dòng)電路而言，高能效LED驅(qū)動(dòng)器IC無疑是其中的重點(diǎn)。圖2的右半部分顯示了典型的LED燈泡驅(qū)動(dòng)電路，其中使用的是典型的獨(dú)立式LED驅(qū)動(dòng)器。

　　圖2：a)典型LED燈泡剖視圖(左圖);b)典型LED燈泡驅(qū)動(dòng)電路(右圖)

　　要發(fā)揮LED通用照明的高能效優(yōu)勢(shì)，LED驅(qū)動(dòng)器存在多重挑戰(zhàn)。首先就是能效至關(guān)重要。以LED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅(qū)動(dòng)器則可幫助將更多電能轉(zhuǎn)化為光能，幫助散熱。其次，LED燈泡空間有限，需要更大的散熱片面積，較大功率的燈泡尤為如此。此外，LED正在迅速變化，提供多種選擇，這對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的選擇也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。由于LED燈泡空間有限，故須減小驅(qū)動(dòng)電子電路的尺寸以使剩余空間增多，配合散熱。LED通用照明涵蓋不同功率等級(jí)，故須優(yōu)化LED驅(qū)動(dòng)器選擇，以配合不同照明及功率要求。出于安規(guī)、LED選擇等因素，設(shè)計(jì)人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此也影響到LED驅(qū)動(dòng)器的選擇。

　　安森美半導(dǎo)體配合LED通用照明的驅(qū)動(dòng)器方案

　　安森美半導(dǎo)體積極推動(dòng)高能效創(chuàng)新，包括LED照明在內(nèi)的高能效電子創(chuàng)新，涉及LED照明的眾多細(xì)分市場(chǎng)，如前文提到的移動(dòng)設(shè)備、LCD背光、LED標(biāo)牌、汽車及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半導(dǎo)體在照明市場(chǎng)的重點(diǎn)。在LED通用照明市場(chǎng)，安森美半導(dǎo)體的策略是充分利用公司寬廣陣容的模擬電源IC、分立器件及先進(jìn)微封裝，提供與眾不同的高能效LED驅(qū)動(dòng)器方案。

　　安森美半導(dǎo)體提供覆蓋涵蓋寬廣功率范圍及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器方案。安森美半導(dǎo)體能用于低功率LED通用照明應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是單段式功率因數(shù)校正(PFC)、支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器，采用次級(jí)端控制器，支持反激/降壓/降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCL30002也是單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器，支持降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供±3%的電流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083等器件，是新推出的高能效準(zhǔn)諧振控制器，用于低功率LED照明應(yīng)用。

　　值得一提的是，NCL3008x系列采用初級(jí)端穩(wěn)流(PrimarySideRegulation)技術(shù)(也稱初級(jí)端控制或原邊控制)這種新穎的控制方法，省去次級(jí)端控制電路及光耦，能夠精確地從初級(jí)端對(duì)LED電流進(jìn)行恒流穩(wěn)流，幫助簡(jiǎn)化PCB布線、節(jié)省電路板空間、提升能效，并簡(jiǎn)化安全分析(見圖3左)。此外，它還具有高穩(wěn)流精度、支持寬正向壓降(Vf)范圍、低電磁干擾(EMI)及集成強(qiáng)固保護(hù)特性等眾多優(yōu)勢(shì)。這系列器件提供0.8至0.9的功率因數(shù)，符合美國(guó)“能源之星”對(duì)功率大于5W的LED燈泡在功率因數(shù)方面的要求(PF>0.7)。

　　圖3：a)NCL3008x新穎的初級(jí)端控制技術(shù)(左);

　　b)基于NCL3008x的A19燈泡參考設(shè)計(jì)(右)

　　安森美半導(dǎo)體還開發(fā)了基于NCL30082的緊湊型A19LED燈泡的參考設(shè)計(jì)(見圖2右側(cè))。這參考設(shè)計(jì)優(yōu)化用于隔離反激或非隔離降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化用于10WLED照明應(yīng)用。它采用谷底填充PFC來滿足“能源之星”功率因數(shù)高于0.7的要求。PCB及元件的尺寸目標(biāo)是22x60mm柱體。測(cè)試顯示，此參考設(shè)計(jì)提供高能效、高功率因數(shù)及高穩(wěn)流精度。

　　而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半導(dǎo)體同樣提供豐富的產(chǎn)品組合，滿足客戶不同應(yīng)用需求。其中既包含單段式及組合控制器，也包含傳統(tǒng)的兩段式(PFC段+DC-DC段)控制器，覆蓋從15W至400W的寬廣功率范圍，如圖4所示。

　　圖4：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于中大功率LED通用照明的驅(qū)動(dòng)器

　　從圖4中可以看出，在中等功率LED通用照明應(yīng)用中，可以采用NCL30000及NCL30001這樣的單段式功率因數(shù)校正LED控制器;而在功率更大的應(yīng)用中，可以采用NCL30051和NCP1910這樣的高能效組合控制器。以NCL30051為例，這是一款功率因數(shù)校正(PFC)及諧振半橋組合控制器，優(yōu)化用于離線LED照明應(yīng)用，能夠?yàn)榻祲篋C-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動(dòng)器提供恒定電壓。這器件集成了一個(gè)臨界導(dǎo)電模式(CrM)PFC控制器及一個(gè)半橋諧振控制器，并內(nèi)置600V驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)離線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具備了所有實(shí)現(xiàn)高能效、小外形因數(shù)設(shè)計(jì)所需的特性。

　　除了上述單段式方案，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式(PFC段+DC-DC轉(zhuǎn)換段)方案。具體而言，PFC段可選用的控制器包括NCP1653、NCP1631、NCP1611/NCP1612及NCP1608等。其中，NCP1611/2是增強(qiáng)型高能效PFC控制器，基于創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)，在PFC電感電流超過設(shè)定值時(shí)，電路通常工作在臨界導(dǎo)電模式(CrM)，而當(dāng)電流低于預(yù)設(shè)值時(shí)，將開關(guān)頻率線性降低至約20kHz，此時(shí)電流為零。CCFF架構(gòu)同時(shí)將額定負(fù)載工作能效和輕載能效提升至最高，特別是將待機(jī)損耗降至最低等典型應(yīng)用包括可用于平板電視、一體式計(jì)算機(jī)和大功率電源適配器，以及LED照明電源及驅(qū)動(dòng)器、可調(diào)光熒光燈鎮(zhèn)流器等。

　　在DC-DC段，可以選用的器件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了這些器件，安森美半導(dǎo)體還在開發(fā)更多的新產(chǎn)器，滿足客戶的更寬應(yīng)用需求。

　　智能LED照明的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展預(yù)測(cè)

　　正在興起的LED智能照明是LED通用照明市場(chǎng)的另一個(gè)重點(diǎn)，也是重要發(fā)展方向。所謂“智能照明”，往往結(jié)合了智能可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器、無線接收器、紅外接收器、環(huán)境光傳感器及無源紅外占用情況傳感器等。

　　LED智能照明將使LED更易于控制及調(diào)光。LED智能照明電子電路中將增強(qiáng)多種新功能，如結(jié)合占用情況傳感器或環(huán)境光傳感器來配合調(diào)光控制及省電等。例如，內(nèi)置占用情況傳感器可用于檢測(cè)及確定照明區(qū)域是否有人，一般用于房間入口或出口，能夠進(jìn)行安全地照明控制及省電。這類傳感器大多數(shù)使用的是無源紅外(Ir)傳感器，其它的傳感器選擇包括超聲波及運(yùn)動(dòng)傳感器等。

　　此外，電子電路中采用硅光電傳感器，可用于不同應(yīng)用，如測(cè)量環(huán)境光以采集日光，以及用于感測(cè)燈具光輸出來進(jìn)行LED照明控制等。典型的環(huán)境光傳感器有如安森美半導(dǎo)體帶線性輸出的NOA1211/2及帶雙輸出的NOA1305等。環(huán)境光傳感器配合戶外(黃昏/黎明)及室內(nèi)(日光采集)調(diào)光，因而節(jié)能。透過閉環(huán)控制LED光源，可以調(diào)節(jié)不同溫度及時(shí)間條件下的特定光輸出。此外，帶LED輸出光反饋的恒定光輸出調(diào)節(jié)能節(jié)省及延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器使用壽命。

　　智能照明也將更靈活，可以使用低能耗的無線接口，如IrDA紅外、Zigbee及低能耗藍(lán)牙(BluetoothLE)，無需改變開關(guān)或線纜。但這要求無線控制標(biāo)準(zhǔn)就位，如ZigbeeLightlink™等。

　　LED驅(qū)動(dòng)器IC要配合LED“智能”照明，其設(shè)計(jì)必須能夠輕易地配合模擬及數(shù)字(即PWM)調(diào)光。例如，安森美半導(dǎo)體的NCL30082LED控制器配合智能調(diào)光接口，能以單個(gè)控制引腳進(jìn)行模擬調(diào)光、數(shù)字調(diào)光，或是同時(shí)進(jìn)行模擬與數(shù)字調(diào)光，提供0至100%的寬調(diào)光范圍。這器件易于連接模擬傳感器或微控制器(MCU)通用輸入/輸出端口(GPIO)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)靈活性。

　　在這些技術(shù)的配合下，智能LED燈泡及LED模塊即將出現(xiàn)。通過結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的無線控制技術(shù)、以太網(wǎng)及因特網(wǎng)，人們有望使用智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制LED燈泡。新的方案還能解決熱管理、光學(xué)及模塊化/替代問題。預(yù)計(jì)商業(yè)/工業(yè)細(xì)分市場(chǎng)將帶領(lǐng)智能照明方案的采用。

　　小結(jié)

　　在環(huán)保大潮及各種政策法規(guī)的推動(dòng)下，LED照明正在迅速發(fā)展。要充分利用LED通用照明的高能效優(yōu)勢(shì)，使用高能效的LED驅(qū)動(dòng)器必不可少。本文介紹了通用照明LED驅(qū)動(dòng)器面臨的挑戰(zhàn)，以及安森美半導(dǎo)體克服這些挑戰(zhàn)、應(yīng)用于不同LED通用照明應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器方案。安森美半導(dǎo)體提供陣容廣博、相輔相成的方案，包括配合智能調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)傳感器等，幫助推動(dòng)及迎接LED智能照明時(shí)代的來臨。