LED通用照明电源面临的挑战及相关解决方案

L月

中心议题：

   

• 安森美对LED通用照明电源面临的挑战提出相关解决方案
  

解决方案：

   

• LED通用照明系统面临的要求及挑战   
  
• 通用照明电源转换及LED驱动示例   
  
• 保护通用照明应用中的LED
  

通用照明市场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。随着人们绿色环保意识的提高，通用照明市场也成为业界致力提高能效的重要目标。
就能效(总输出流明与输入功率比，lm/W)而言，不同的通用照明光源中，白炽灯的能效相对较低，标准60 W白炽灯能效范围介于10至13 lm/W之间(总输出为600至800 lm)，而CFL的典型能效达55至60 lm/W(由于光损耗，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，如金属卤素HID灯能效约在80 lm/W，但在灯光投射路径上会有大量的损耗。

图1：通用照明光源的发展趋势
相比较而言，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，LED的低压、小体积、定向光、固态器件、长工作寿命等优势，对于通用照明特别具有吸引力。
LED通用照明系统面临的要求及挑战
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通用照明系统涉及到LED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(结点温度控制非常重要，需要分析散热，从而实现更长的工作寿命)及光学器件等。
要开发高能效的LED通用照明解决方案，这几方面的要求都非常重要。其中，本文主要讨论LED的控制和驱动，同时也会在下文的太阳能供电街灯照明示例中结合讨论高效的电源转换问题。
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，通常采用的是脉宽调制(PWM)调光技术；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。
通用照明电源转换及LED驱动示例
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、12 V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) 采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电
许多高亮度LED应用工作在高至40 VDC范围的电源，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。
以太阳能电池板供电为例，提高太阳能电池板的光电转换能效(目前仅为约30%)非常重要。太阳能电池板的电压-电流(V-I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中析取最大量的电能非常困难。这需要太阳能LED街灯的充电控制器及其它相关电子电路(一般采用微控制器来实现)尽可能地提高能效，从而发挥最大优势。

图2：安森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用示意图
最新支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能的控制器能对太阳能电池不断变化的V/I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。具体而言，当我们实际上无法改变负载时，MPPT功能使太阳能电池“认为”负载正在发生变化；通过这种方式，MPPT“欺骗”太阳能板输出不同电压和电流，从而允许更多电能输入至蓄电池。
安森美半导体针对太阳能板电池充电控制应用，推出CS51221增强型电压模式PWM控制器(见图2)，支持最大峰值功率追踪，输入电压为12至24 V，输出为12V @ 2A，并提供可调节逐脉冲限流、输入欠压锁定和输出过压锁定等保护特性。这控制器提供辅助输入端，用于远程传输和监控；能够适应功率高至90 W的太阳能板应用。
而在后续的LED驱动方面，可以选用安森美半导体的NCP3066驱动方案。。NCP3066是一款高亮度LED恒流降压稳压器，带专用“启用”引脚用于实现低待机能耗，具有平均电流感测功能(电流精度与LED正向电压无关)，提供0.2 V电压参考，适合小尺寸/低成本感测电阻。这器件不需要环路补偿，易于设计。需要指出的是，NCP3066也可用作控制器，如可采用100 V外部N沟道FET来进行升压。这器件支持4至30 W功率的不同应用，且提供不同MOSFET选择。
除了太阳能供电街道照明应用外，在针对新兴的高亮度、高视觉冲击力LED建筑物照明的RGB LED像素控制应用中，还可以采用安森美半导体的三通道线性恒流LED驱动器CAT4103。CAT4103为高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明应用而设计。它具有高速串行接口，能够支持达25 MHz的数据率，提供完全缓冲的数据输出，确保在分布式(长距离)、菊花链型照明系统中维持最高的数据完整性。
CAT4103支持每通道达175 mA的宽广范围LED恒流驱动，电流为60 mA时压降电平至0.3 V ，确保在驱动长串LED时提供最高性能。这种驱动器每通道支持25 V的电压电平，能够以超过10瓦(W)的高亮度功率电平支持RGB像素。 

图3：安森美半导体CAT4103三通道线性恒流LED驱动器应用示意图
 
字数限制，详见：http://www.cntronics.com/public/lecture/list?cid=7