街道及停車場照明等大功率LED區域照明挑戰暨驅動電源配置

隨著人們節能環保意識的日漸增強,業界越來越關注能源消耗對環境的影響。在各種能源消耗途徑中,據統計,有高達20%至22%的電能用於照明。提高照明應用的能源使用效率乃至進一步降低其能源消耗,有助於減少二氧化碳排放,造就更加綠色環保的世界。因此,高能效照明正在成為業界競逐的一個焦點。

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(bollards)、洗牆燈(wall wash)、外牆燈(wall pack)、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(low bay)、高頂燈(high bay)、冷凍櫃/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,應用於大功率區域照明的現有光源(如金屬鹵化物燈(MHL)、高壓鈉燈(HPS)、線性螢光燈(LFL)及緊湊型螢光燈(CFL))存在著不少侷限,如高壓鈉燈的演色性差(CRI約為22),金屬鹵化物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,線性螢光燈的冷溫度性能差,緊湊型螢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體(LED)在性能和成本等方面持續改進,越來越多地用於大功率區域照明,並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、色彩品質更佳、環保,並且其開啟和關閉能夠更方便地控制,便於自動檢測環境光,從而改變亮度;此外,LED的可靠性也更佳,利於降低維護成本及總體擁有成本。

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,並要保護LED免受浪湧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。對於區域照明應用而言,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範標準。如歐盟的國際電工聯盟(IEC)的IEC61000-3-2標準對功率超過25 W的照明裝置(C類)的諧波含量提出了要求,相當於總諧波失真(THD)低於35%;但符合IEC61000-3-2 C類諧波含量要求並不必然表示功率因數(PF)高於0.9。而某些市場(如美國)通常要求PF高於0.9及THD低於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。


圖1:智慧雙亮度等級LED街道照明示例。

LED照明的控制也可以變得更加智慧化。傳統街燈以計時器或環境光感測器來自主控制。而利用電力線通訊(PLC)或無線控制技術,可以提供高度靈活的LED區域照明控制,如基於時間的光輸出等級集中控制、基於車流量感測器的發光等級控制,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智慧控制技術在節省電能之餘,還不會損及安全性。典型應用有如智慧雙亮度等級照明,如公園、加油站頂棚、停車場所、樓梯及電冰箱箱體照明都支援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。如此就利於大量節省額外的電能消耗。

LED區域照明電源架構及典型LED驅動方案
1)    適合線性燈、線槽燈等應用的分散式/模組化方案
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)+恆壓(CV)+恆流(CC)」的三段式架構。此種架構中,交流輸入電源經過功率因數校正和隔離型直流-直流(DC-DC)轉換後,輸出24至80 Vdc的固定電壓,提供給後面內置DC-DC降壓轉換電路的恆流LED模組(見圖2)。此種架構的設計提供了能夠現場升級的模組化途徑,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。此種架構(light bar)下,交流-直流(AC-DC)轉換與LED驅動電路並未整合在一起,而是採用分散式配置,既簡化安全考慮又增強系統靈活性,也稱作分散式方案,典型應用包括線性燈(linear lighting)及線槽燈(cove lighting)等。


圖2:典型的模組化LED區域照明電源架構示意圖。

在此種模組化途徑下,一項設計能夠擴展用於多種光輸出等級。而且隨著LED光輸出性能增強,LED模組要提供相同光輸出等級,所需採用的燈條就更好。而每個燈條都設有一個專用的DC-DC LED驅動器,如可以採用安森美半導體的CAT4201高能效降壓LED驅動器。CAT4201專門優化用於驅動大電流LED,採用具有專利的開關控制演算法,提供高能效及精確的LED穩流(可達350 mA)。CAT4201可採用最高36 V的電源電壓供電,並相容於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,週邊的N溝道MOSFET支援高壓輸入: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3:CAT4201高壓LED驅動器配置。  
  
2)    適合洗牆燈、外牆燈等應用的整體式/單段式方案
並不是所有的區域照明應用都要求採用分散式/模組化方案。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製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。在此種條件下,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,可以採用安森美半導體的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,此種方案整合了PFC和隔離型DC-DC轉換電路,並提供恆定電流來直接驅動LED。此種方案相當於將AC-DC轉換與LED驅動兩部分電路整合在一起,均位於照明燈具內,省下了LED光條中整合的線性或DC-DC轉換器。此種整體式方案的電源轉換段更少,減少元件使用數量(如光學元件、LED、電子元件及印製電路板等)、降低系統成本,並支援更高的LED電源總體能效。當然,此種方案的功率密度更高,可能並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、外牆燈、洗牆燈及電冰箱箱體照明等。


圖4:基於NCL30001 LED驅動器和NCS1002控制器的90 W LED驅動器演示板電路。

安森美半導體開發了一款功率達90 W、電流0.7 A至1.5 A、電壓低於60 V的單段式高功率因數LED驅動器演示板。該演示板採用了NCL30001 LED驅動器及帶脈寬調製(PWM)調光功能的NCS1002次級端恆壓恆流(CVCC)控制器(見圖4),適合LED街燈等區域照明應用。

此90 W恆壓恆流演示板接受90至265 Vac的擴展通用輸入電壓(更換元件條件下可支援305 Vac),提供0.7 A至1.5 A的恆定電流輸出範圍(可通過微幅調節電阻來選擇)及30 V至55 V的恆定輸出電壓範圍(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引腳介面,用於類比電流調節/雙亮度等級數字調光等智慧調光應用。此外,此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,此演示板在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於87%(詳見表1),在50%至100%負載條件下功率因數高於0.9,同時符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準。


表1:基於NCL30001和NCS1002的90 W LED驅動器演示板能效測試結果。

3)    用於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(如高於90%)。要提供如此高的能效,需要採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。

在此類要求超高能效的更大功率LED區域照明應用中,可以結合採用安森美半導體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器,用於功率在50到300 W範圍的高能效LED街道照明應用。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器,整合了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,支援可調節及精確的最低頻率,提供極高能效,並具備多種故障保護特性。


圖5:基於NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源配置。

增強LED串可靠性的保護方案
區域照明應用中通常會採用多串LED。雖然LED本身可靠性高,但若LED串中的某個LED開路,那麼整串LED就可能關閉,而街道照明等應用中要避免此種狀況,從而降低後期維護成本。安森美半導體推出了NUD4700 LED電流旁路保護器。此元件是一款分流元件,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,還可支援大於1 A的大電流。

總結:
安森美半導體身為應用於綠色電子產品的首要高性能、高能效矽方案供應商,為LED區域照明應用提供各種不同的解決方案,如用於分散式/模組化電源架構的CAT4201降壓LED驅動器、用於整體式電源架構的NCL30001單段式高功率因數LED驅動器,以及應用於大功率LED區域照明的NCP1607 PFC控制器及NCP1397諧振半橋LLC控制器方案,滿足客戶不同的應用需求。安森美半導體還提供基於AMIS-49587電力線通訊(PLC)數據機(modem)等產品的聯網型LED街燈控制方案,以及相關的MOSFET、整流器、濾波器和保護產品等,為使用者提供豐富選擇,幫助他們縮短設計週期,加快產品上市。

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