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三類LED區域照明電源的典型驅動方案

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關鍵詞: LED照明,LED

      從應用領域來看,LED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。

      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。

    三類LED區域照明電源的典型驅動方案

      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.

    三類LED區域照明電源的典型驅動方案

      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。

      NCL30001是一種整體式 /單段式的LED驅動方案,這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉換電路,并提供恒定電流來直接驅動LED.這種方案相當于將AC-DC轉換與LED 驅動兩部分電路整合在一起,均位于照明燈具內,省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉換器。這種整體式方案的電源轉換段更少,減少元器件使用數量 (如光學元件、LED、電子元件及印制電路板等)、降低系統成本,并支持更高的LED電源總體能效。當然,這種方案的功率密度更高,可能并不適合所有區域照明應用,其光學圖案可能更適合較低功率的LED,典型應用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。

      這90 W恒壓恒流演示板接受90至265 Vac的擴展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305 Vac),提供0.7 A至1.5 A的恒定電流輸出范圍(可通過微幅調節電阻來選擇)及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍(可通過電阻分壓器來選擇),最大輸出功率90 W,支持50至1,000 Hz調光控制,并包含可連接至可選調光卡的6引腳接口,用于模擬電流調節/雙亮度等級數字調光等智能調光應用。此外,這演示板還提供短路保護、開路保護、過溫保護、過流保護及過壓保護等豐富保護特性。測試顯示,這演示板在50 W輸出功率、1,000 mA輸出電壓/48 V正向壓降條件的能效高于87%(詳見表1),在50%至100%負載條件下功率因數高于0.9,同時符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準。

    三類LED區域照明電源的典型驅動方案

      3)用于更大功率區域照明應用的高能效LLC拓撲結構驅動電源

      近年來,業界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃,期望在更大功率的50 W至250 W LED區域照明應用中提供高能效(如高于90%)。要提供這樣高的能效,需要采用高能效的電源拓撲結構,如諧振半橋雙電感加單電容(LLC)拓撲結構,從而充分發揮零電壓開關(ZVS)的優勢。

      在這類要求超高能效的更大功率LED區域照明應用中,可以結合采用安森美半導體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器,用于功率在50到300 W范圍的高能效LED街道照明應用。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器,集成了600 V高壓浮動驅動器,支持50到500 kHz的高頻工作,內置高端和低端驅動器,支持可調節及精確的最低頻率,提供極高能效,并具備多種故障保護特性。

    三類LED區域照明電源的典型驅動方案

      三、增強LED串可靠性的保護方案

      區域照明應用中通常會采用多串LED.雖然LED本身可靠性高,但若LED串中的某個LED開路,那么整串LED就可能關閉,而街道照明等應用中要避免這種狀況,從而降低后期維護成本。安森美半導體推出了NUD4700 LED電流旁路保護器。這器件是一款分流器件,萬一LED串中某個LED開路,則會提供電流旁路,確保在某個LED故障的條件下整串LED不會關閉;而且恰當處理散熱的話,還可支持大于1 A的大電流。
     

    (審核編輯: 小王子)

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