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

2011-02-25 08:50:56来源: 国际电子商情 关键字:通用  驱动  挑战

     近年来,随着绿色环保团体不断扩大节能环保界线,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众多国家的政府、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。

通用照明市场的不同光源对比

从具体应用来看,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(HB LED)等。

如果我们基于能效基准对不同光源进行比较,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60 W白炽灯而言,其能效范围介于10至13 lm/W之间(总输出为600至800 lm)。相对而言,CFL的能效要高得多,典型能效达55至60 lm/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,从而带来光损耗,使得55 lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50 lm/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100 W金属卤素HID灯大约可以产生8,000流明的输出,即能效在80 lm/W;不过,象CFL一样,HID的光输出是全方向,在灯光投射路径上会有大量的损耗。

相比较而言,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,业界近期宣称的最强的白光LED研发能力达到了132至136 lm/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拥有众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固态照明系统涉及以下要求:

·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:将交流墙式插座、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。这主要体现在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从而实现可靠工作。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如何变化。

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,如果需要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3 kHz。此外,LED驱动电路的功率处理能力必须充足,且功能强固,可以承受多种故障条件,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数量常常不止一个,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,因为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,用户也可以并联或串联、并联交叉连接等方式来配置LED。如果采用并联配置,电路就需要“匹配的”LED正向电压;如果某个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、并联交叉连接技术,可用于尝试减轻发生故障的风险。

LED驱动应用示例

根据具体应用的不同,LED可能会采用不同的电源来供电,如交流线路、太阳能板、12V汽车电池、直流电源或低压交流系统,甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。

1)采用交流离线电源为LED供电

在采用交流离线电源为LED供电的应用中,涉及到众多不同的应用场合,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。在这些从交流主电源驱动大功率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(galvanic isolation)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结构。

在反激转换器方面,根据输出功率的不同,可以采用安森美(ON)半导体的不同反激转换器。例如,安森美半导体的NCP1013适合于功率高达5 W(电流为350 mA、700 mA或1 A)的紧凑型设计应用,NCP1014/1028可以提供高达8 W的连续输出功率,而NCP1351则适合于大于15 W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700 V高压MOSFET,均采用350 mA/22 Vdc变压器设计及700 mA/17 Vdc配置,输入电压范围为90至265 Vac,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,适合于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24 V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,如果针对230 Vac交流线路使用另一种可选变压器,则NCP1014能够提供高达19 W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40 VDC范围的电源,这些电源包括铅酸电池、12-36 VDC适配器、太阳能电池以及低压的12和24 VAC交流系统。这类的照明应用众多,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。

即使目标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,就可以选择恰当的线性或开关电源拓扑结构,如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器,它集成1.5A开关,可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40V,具有235 mV的低反馈电压,工作频率可调节,最高250 kHz。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)。除了需要针对具体的LED应用选择适合的LED驱动解决方案,还需要为LED提供适当的保护,因为偶尔LED也会失效。其原因多种多样,可能是因为LED早期失效,也可能是因为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,特别是因为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100μA;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1W LED(额定电流为350 mA@ 3V),如果散热处理恰当,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、指向性好等众多优势,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,探讨了不同的LED驱动应用示例,如通过交流隔离电源为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。

关键字:通用  驱动  挑战

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0225/article_4894.html
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