LED區域照明驅動架構與典型設計

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-01-20

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從應用領域來看，照明涵蓋住宅照明、工業照明、街道照明和餐廳、零售及服務業照明等不同類別。而從功率等級來看，除了低功率照明，也包括大功率區域照明，典型應用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車場及公共安全照明、工業及零售照明等室外照明，以及低頂燈、高頂燈、凍柜/冰箱及停車庫等室內照明。

　　大功率區域照明存在不少挑戰，如燈具可能難以接近、光源發生故障時可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環境條件等。此外，不容忽視的是，應用于大功率區域照明的現有光源(如金屬鹵素燈、高壓鈉燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈)存在著不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差(CRI約為22)，金屬鹵素燈的典型燈具損耗較高(40%)且其從啟動到發光至完整亮度經歷的時間可能長達10分鐘，線性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動速度也較慢。

　　另一方面，隨著高亮度白光發光二極管(LED)在性能和成本等方面持續改進，越來越多地用于大功率區域照明，并提供傳統光源不具備的優勢，如發出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質量更佳、環保，并且其開啟和關閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護成本及總體擁有成本。

　　一、LED區域照明應用要求

　　led驅動器的主要功能就是在多種條件下限流，并要保護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。對于區域照明應用而言，室外環境會給LED驅動器帶來溫度挑戰，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或諧波含量的規范標準。如歐盟的國際電工聯盟(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(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。而總體系統設計對使用壽命有重要影響，故使用內部發熱較少、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，從而增強系統可靠性。

　　LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳統街燈以定時器或環境光傳感器來自主控制。而利用電力線通信(PLC)或無線控制技術，可以提供高度靈活的LED區域照明控制，如基于時間的光輸出等級集中控制、基于車流量傳感器的發光等級控制，以及根據檢測人、車活動來調控市中心照明，兼顧步行車及街道照明。LED智能控制技術在節省電能之余，還不會損及安全性。典型應用有如智能雙亮度等級照明，如公園、加油站頂棚、停車場所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據需要來調整亮度等級的照明。LED能夠即時導通及關閉，能夠在這些應用中方便地根據動作或活動來調節照明等級，如在未檢測到活動時提供20%-40%的亮度等級，而在檢測到活動時提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節省額外的電能消耗。

　　二、LED區域照明電源架構及典型LED驅動方案

　　1)適合線性燈、線槽燈等應用的分布式/模塊化方案

　　大功率led區域照明應用中，一種常見的電源架構是“功率因數校正(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場升級的模塊化途徑，可根據實際需求，靈活改變LED光條數量，從而增加或減小光輸出，滿足具體區域照明應用要求。這種架構下，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。

圖1 典型的模塊化LED區域照明電源架構示意圖

在這種模塊化途徑下，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穩流(可達350 mA)。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。圖3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2 CAT4201高壓LED驅動器配置

　　2)適合洗墻燈、外墻燈等應用的整體式/單段式方案

　　并不是所有的區域照明應用都要求采用分布式/模塊化方案。隨著白光LED性能的快速提升，新型LED已經可以配合新的LED驅動器設計方法。領先的LED制造商已經推出支持更大電流及具備更高發光性能的新型LED，如Cree的XP-G系列LED(正向壓降為3.3 V)在1 A電流時可提供330流明光輸出，Seoul Semiconductor的P7系列LED(正向壓降為3.3 V)在1.4 A時可提供400 流明光輸出。在這種條件下，可以配置新穎的LED驅動器來直接驅動1 A到3 A的大電流。例如，可以采用安森美半導體的NCL30001功率因數校正TRIAC可調光LED驅動器。

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