安森美高能效LED通用照明解决

2020-03-23 作者:bck体育app怎么下载 70

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(HBLED)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60W白炽灯能效范围介于10至13lm/W之间(总输出为600至800lm),bck体育app怎么下载而CFL的典型能效达55至60lm/W(由于光损耗,55lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50lm/W之间)。其它的光源,如金属卤素HID灯能效约在80lm/W,但在灯光投射路径上会有大量的损耗。

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136lm/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。

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。

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&ldquo色点&rdquo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3kHz。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。

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。

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&ldquo认为&rdquo负载正在发生变化;通过这种方式,MPPT&ldquo欺骗&rdquo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24V,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90W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&ldquo启用&rdquo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0.2V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100V外部N沟道FET来进行升压。这器件支持4至30W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RGBLED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、&ldquo智能&rdquoLED建筑物照明应用而设计。它具有高速串行接口,能够支持达25MHz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175mA的宽广范围LED恒流驱动,电流为60mA时压降电平至0.3V,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25V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。

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(galvanicisolation)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5W(电流为350mA、700mA或1A)的紧凑型设计应用,NCP1014/1028可以提供高达8W的连续输出功率,而NCP1351则适合于大于15W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700V高压MOSFET,均采用350mA/22Vdc变压器设计及700mA/17Vdc配置,输入电压范围为90至265Vac,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,在照明应用中,如果输出功率要求高于25W,LED驱动器则面临着功率因数校正(PFC)的问题。在这类可能需要采用PFC控制器的应用中,传统的解决方案是PFC控制器+PWM控制器的两段式方案。这种方案支持模块化,且认证简单,但在总体能效方面会有折衷,如假设交流-直流(AC-DC)段的能效为87至90,直流-直流(DC-DC)段能效为85至90,则总能效仅为74至81。随着LED技术的持续改进,这种架构预计将转化为更加优化、更高能效的方案。根据要求的不同,有多种可供选择的方案,如:PFC+非隔离降压、PFC+非隔离反激或半桥LLC、NCP1651/NCP1652单段式PFC方案。

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。在这方面,可以采用安森美半导体的NUD4700LED分流保护解决方案。图5是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。

在LED正常工作时,泄漏电流仅为近100&muA;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1WLED(额定电流为350mA@3V),如果散热处理恰当,也支持大于1A电流的操作。

LED所拥有的众多优势使其在通用照明市场越来越受到青睐。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商,不论是采用离线交流电源或是宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源供电的LED照明应用,都能提供高能效的电源转换控制及LED驱动解决方案,满足相关应用需求,并提供极高能效,支持节能环保的最新趋势,受到客户的推崇。