低功率LED通用照明設計挑戰(zhàn)暨安森美半導體高能效方

近年來，照明已經成為世界各國推動節(jié)能環(huán)保所瞄準的一個重要領域。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有20%的電能用于照明，這些電能中又有約40%用于低效的白熾燈照明。而隨LED在光輸出性能、成本等幾乎各個方面的持續(xù)改進，LED通用照明已經成為白熾燈等傳統(tǒng)照明的一種極引人注目的替代解決方案。

典型的LED通用照明應用包括電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等。LED街燈的功率較高，一般在50 W至300 W之間；LED建筑物及區(qū)域照明應用的功率一般在40 W到125 W之間，屬于中等功率范圍；30 W以下的可統(tǒng)稱作低功率LED照明應用，包括特定指向照明，如櫥柜內照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺燈等，以及全向照明，如重點照明、家電、通用照明A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將重點探討30 W以下功率的低功率LED通用照明應用，以及安森美半導體相應的高能效方案。

圖1：常見低功率LED照明應用。

低功率LED照明應用選擇驅動器須考慮的因素
LED驅動器的主要功能，就是在工作條件范圍下限制電流，而無論輸入及輸出條件如何變化。其應用設計面臨多種限制條件，如高能效(低損耗)、高性價比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標準、可改造用于已有應用及能采用傳統(tǒng)控制方式工作等。

要為低功率LED應用選擇適合的驅動器并不容易，需要顧及不同的因素。例如，商業(yè)和住宅市場對LED燈具在工作溫度、使用時長、性能及“能源之星”等行業(yè)標準方面的要求并不相同。此外，燈泡替代應用也存在著獨特挑戰(zhàn)，如LED電源及驅動器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調光技術等。

就LED通用照明適用的標準而言，主要有美國“能源之星”要求的功率因數(shù)校正(PFC)標準以及歐盟的國際電工委員會(IEC)對總諧波失真的限制標準。其中，“能源之星”V1版燈具標準要求LED照明燈具具備PFC，適用于嵌燈、櫥柜燈及臺燈等特定產品，但與功率電平無關。這標準要求住宅應用的功率因數(shù)(PF)高于0.7，而商業(yè)應用高于0.9。這標準是自愿性標準，將于2011年9月實施。而“能源之星”的1.1版整體式LED燈泡標準已于2010年8月生效，要求輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)高于0.7。

如前所述，為低功率LED照明應用選擇適合的驅動器須考慮眾多因素，這其中，有關功率因數(shù)等行業(yè)標準尤為重要。接下來，我們以安森美半導體的相關產品為例，探討如何在低功率照明應用中提供高功率因數(shù)。

改善低功率LED住宅照明應用能效的方案
以住宅照明的臺燈和櫥柜燈等應用為例，功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應用最適合采用隔離型反激拓撲結構。但傳統(tǒng)離線反激電源轉換器在開關穩(wěn)壓器前面采用全波整流橋及大電容，這種配置的功率利用率或輸入線路波形的PF較低，僅在0.5至0.6的范圍。

這就要引入PFC。如可在反激轉換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC，能提供高于0.98的PF，但增加了元件數(shù)量及復雜性，且最適合的功率遠高于本應用要求。無源PFC方案眾多，可改善PF，但通常都使用較多額外元件，增加成本及電路板占用空間，并降低可靠性。

圖2：改善了功率因數(shù)的NCP1014應用電路圖。

實際上，高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統(tǒng)設計的第一步就是在開關段前獲得極低電容，從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產生更合意的正弦輸入電流，反激轉換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數(shù)就高。安森美半導體的NCP1014自供電單片開關穩(wěn)壓器采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個特定點；這個點由輸入電壓及開關周期或導電時間結束前的初級電感來確定。由于導電時間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。

圖3：基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數(shù)。

應對更高功率因數(shù)及TRIAC調光挑戰(zhàn)的方案
要針對低功率LED照明應用提供高于0.9的功率因數(shù)及低總諧波失真，以適合商業(yè)應用要求，就有必要使用新的拓撲結構。在這種情況下，傳統(tǒng)的兩段式拓撲結構(PFC升壓+反激轉換)就無法滿足要求了。相應的，我們可以使用基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的單段式CrM反激拓撲結構。單段式拓撲結構省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本，并提供高功率因數(shù)。圖4顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓撲結構的簡化功能框圖。

圖4：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動器GreenPoint?參考設計簡化框圖。

值得一提的是，與前述針對住宅應用使用開關穩(wěn)壓器(內置FET等旁路元件)的方案不同，我們在針對商業(yè)照明的應用中使用的是寬動態(tài)范圍的精確導通時間控制器方案NCL30000。設計中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實現(xiàn)折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線等?；贜CL3000構建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測試顯示，功率因數(shù)遠高于0.9，部分輸入電壓條件下功率因數(shù)甚至高于0.95(見圖5)，能效也極高(參見參考資料2)。

圖5：基于NCL30000的演示板PF及THD測試結果。

此外，TRIAC調光器應用廣泛，故LED驅動方案的一項挑戰(zhàn)就是兼容TRIAC調光這樣的已有調光技術，因為TRIAC調光器設計針對的是電阻型負載的白熾燈泡(功率因數(shù)約為1)，。有利的是，基于NCL30000的設計提供極高的功率因數(shù)，輕松符合商業(yè)應用的功率因數(shù)要求。且用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設計的NCL30000單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相，輸入電流波形看上去象是電阻型負載的波形，能夠兼容TRIAC調光。

為了支持客戶在低功率LED商業(yè)照明應用中應用NCL30000 PFC控制器，安森美半導體提供設計目標功率低于18 W、旨在以350 mA電流驅動4到15顆LED的三款NCL30000評估演示電路板，分別是NCL30000LED1GEVB(輸入電壓90至135 Vac，TRIAC可調光)、NCL30000LED2GEVB(輸入電壓180至265 Vac，TRIAC可調光)及NCL30000LED3GEVB (輸入電壓90至305 Vac)。當然，客戶可能需要支持更大功率及更大電流的選擇。這時候就需要優(yōu)化變壓器及輸出整流器和電容等關鍵元器件，并將輸出繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)方式。而且有利的是，NCL30000作為控制器方案，支持寬功率范圍。

后續(xù)方案展望
LED在通用照明中替代白熾燈泡的應用前景極為廣闊，但仍有不少挑戰(zhàn)有待解決。A型燈、E26、E27等傳統(tǒng)白熾燈包含不同功率等級，如40 W白熾燈一般提供約450流明(lm)的光輸出。如今一流暖白光LED的光效約為100 lm/W，考慮到熱效應及光電轉換效率問題，要提供450 lm光輸出，大約需要5到7顆LED，而將這些LED裝配在燈泡內存在著空間及性能方面的挑戰(zhàn)。有利的是，安森美半導體正在開發(fā)相應的LED驅動器方案。

此外，在上述方案中，NCL30000用于隔離型高功率因數(shù)拓撲結構。實際上，這器件也可配置為非隔離型降壓或降壓-升壓拓撲結構。

總結：
為低功率LED通用照明應用選擇適合的驅動器方案需要顧及跟應用相關的多種因素，如空間、能效、環(huán)境條件及兼容的調光技術等。本文以安森美半導體的NCP1014單片開關穩(wěn)壓器及NCL30000功率因數(shù)校正TRIAC可調光LED驅動器為例，重點探討如何應對低功率住宅及商業(yè)LED照明應用針對功率因數(shù)要求等方面的挑戰(zhàn)，分享了這些方案的相關能效測試結果，顯示它們非常適合用于設計滿足“能源之星”等相關規(guī)范標準功率因數(shù)要求的低功率照明應用。這兩款產品僅是安森美半導體寬范圍LED驅動器方案的少數(shù)示例，客戶利用這些高能效、高性能LED驅動器方案，輔以安森美半導體提供的GreenPoint?網上設計仿真工具，能夠縮短設計周期，加快產品上市。