LED照明全方位滲透,高能效驅(qū)動方案點亮前景

安森美半導(dǎo)體

當(dāng)今電能需求與生產(chǎn)日趨失衡,最有效的途徑就是提升能效,即利用技術(shù),以更少的電能來執(zhí)行相同的任務(wù)或功能。電能使用涉及眾多的領(lǐng)域。以常見的建筑物為例,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,美國建筑物總能耗中約有30%源自照明領(lǐng)域,而中國估計也達到11%～12%。由此看來,照明領(lǐng)域的節(jié)能潛力巨大。

安森美半導(dǎo)體LED通用照明及電源營銷和系統(tǒng)工程總監(jiān)Laurent Jenck(鄭樂康)指出,以一款典型的 100 W白熾燈為例,其中約有95 W 的電能轉(zhuǎn)化為熱量,僅5 W電能轉(zhuǎn)化為光。因此,世界上許多國家都開始逐步淘汰一般的白熾燈,鼓勵使用節(jié)能燈。與白熾燈相比,緊湊型熒光燈(CFL)和線性熒光燈(LFL)等節(jié)能燈的能耗大幅下降(約相當(dāng)于白熾燈的1/5),但這些傳統(tǒng)節(jié)能燈中包含劇毒化學(xué)物質(zhì)汞,對環(huán)境有不良影響。而高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)近年來在光輸出、能效及成本等方面全面改善,同時具有小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢,正在照明領(lǐng)域掀起革命。

LED照明進入各領(lǐng)域,應(yīng)用將更普及

如今,在屏幕尺寸小于4英寸的手機、相機閃光等移動設(shè)備應(yīng)用中,以及路邊及體育場中大型顯示屏應(yīng)用中,LED照明,或稱固態(tài)照明(SSL),幾乎占據(jù)了100%的份額。除此之外,LED照明也在向其他領(lǐng)域邁進。在汽車應(yīng)用中,LED照明占據(jù)約15%的份額;而在較大液晶顯示屏(LCD)的背光應(yīng)用中,雖然冷陰極熒光燈(CCFL)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位,但 LED照明的總滲透率也達到約20%,參見圖1。Laurent Jenck分析,在備受矚目的大尺寸液晶電視背光應(yīng)用中,LED背光的液晶電視在未來3到4年間,將占據(jù)50%的份額。

安森美半導(dǎo)體在電源管理及高能效方案具備專長及優(yōu)勢,故能發(fā)揮其在電源能效方面的實力,提供專用LED驅(qū)動器用于便攜、消費、工業(yè)和汽車等市場,并且固態(tài)照明方案符合世界各地的規(guī)范要求,如GreenPoint參考設(shè)計電源板。

圖1 LED照明在各種應(yīng)用的滲透比例

相比較而言,LED照明在燈泡、嵌燈、街道及區(qū)域照明、任務(wù)燈、景觀照明、商業(yè)建筑物照明,以及廣告牌文字電路照明等通用照明領(lǐng)域的滲透比例偏低,目前小于2%,遠(yuǎn)低于其他照明類型。但LED照明具有高能效等優(yōu)勢,使其在通用照明市場也極具應(yīng)用潛力。例如,安森美半導(dǎo)體對從零售商店購得的一款鹵素臺燈(采用35 W燈泡)進行重新設(shè)計。原鹵素?zé)糁袩o電子組件,僅含1個較重的60 Hz變壓器,在AC 120 V條件下的輸入功率為41.7 W,在0.5 m處測得的光亮度為744 lm。重新設(shè)計的臺燈采用LED模塊,燈底部采用安森美半導(dǎo)體NCP1014自供電單片式開關(guān)穩(wěn)壓器,在AC 120 V條件下輸入功率為10.9 W,即能耗僅相當(dāng)于原鹵素?zé)舻?/4。同時,在同等距離條件下測得的光亮度為795 lm,72.9 lm/W的能效更是數(shù)倍于原鹵素?zé)?7.8 lm/W。

當(dāng)然,價格是LED照明在通用照明領(lǐng)域快速普及的一項制約因素。不過,安森美半導(dǎo)體的 Laurent Jenck談及半導(dǎo)體的發(fā)展歷史時指出,半導(dǎo)體技術(shù)剛剛問世時,其成本非常高昂以至于局限在美國軍方的對成本不敏感的應(yīng)用中,如軍事衛(wèi)星;但隨著應(yīng)用范圍的拓廣及應(yīng)用的增多,半導(dǎo)體產(chǎn)品最后進入消費市場,廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘９ぷ魃畹母鱾€角落。因此,LED照明的價格/成本也將逐步趨向消費應(yīng)用。Laurent Jenck預(yù)計,LED通用照明可望在5年內(nèi)開始進入主流家庭應(yīng)用。

世界各地的規(guī)范機構(gòu)也在積極制定和發(fā)布相關(guān)的LED照明能效規(guī)范。例如美國“能源之星”的1.1版固態(tài)照明規(guī)范已于2009年2月起生效。該規(guī)范對聚光燈或戶外燈等不同產(chǎn)品的應(yīng)用能效要求各不相同,并且包含功率因數(shù)要求。就中國而言,負(fù)責(zé)能效標(biāo)準(zhǔn)制定的中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院正準(zhǔn)備研究中國的LED照明能效標(biāo)準(zhǔn)。

寬范圍、高能效及創(chuàng)新的驅(qū)動方案

由于LED照明應(yīng)用前景良好,要促進它的不斷發(fā)展,必須針對不同的LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動方案。安森美半導(dǎo)體提供寬范圍、高能效及創(chuàng)新和強固的 LED照明方案。不論是電池供電應(yīng)用,或是直接采用交流或直流線路供電的應(yīng)用,安森美半導(dǎo)體均提供適合的高能效LED驅(qū)動器方案,如電感型及電荷泵型 LED驅(qū)動器、開關(guān)穩(wěn)壓器、高集成度照明管理集成電路(LMIC)、線性恒流驅(qū)動器(CCR)、功率因數(shù)校正(PFC)集成電路、高壓開關(guān)電源方案,以及豐富的MOSFET、整流器和其他分立產(chǎn)品及電路保護系列。

在電池供電的移動設(shè)備背光應(yīng)用中,可以采用不同的LED驅(qū)動技術(shù),如線性電流驅(qū)動器、電感升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器、電荷泵型驅(qū)動器等。這幾種驅(qū)動技術(shù)各有其特點及要求,所以能配合客戶的需要為他們提供最適合其產(chǎn)品應(yīng)用的LED驅(qū)動技術(shù)。線性電流驅(qū)動器簡單易用,無開關(guān)噪聲,而且外部元件數(shù)量極少,但這種驅(qū)動器的正向電壓必須低于電池電壓,且能效與輸入電壓及LED正向電壓有關(guān)。電感升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的LED串電流匹配度極佳,且在電池線路電壓范圍內(nèi)具有極高能效,支持長串LED大功率/高壓工作。電荷泵型驅(qū)動器典型產(chǎn)品采用基于電容的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并集成線性驅(qū)動器用于緊密電流匹配,具有高開關(guān)頻率,外部元件數(shù)量極少。

在汽車應(yīng)用中,根據(jù)電流大小的不同,同樣需要采用不同的LED驅(qū)動器。一個新的趨勢是,在電流常常僅數(shù)十mA的組合尾燈應(yīng)用中,以線性恒流穩(wěn)壓器來替代目前常用的電阻型驅(qū)動器。電阻型驅(qū)動方案簡單且成本低,但能效極低,還面臨高壓時大電流應(yīng)力、LED編碼及熱失控等問題。鑒于此,安森美半導(dǎo)體推出了創(chuàng)新的雙端及三端型線性恒流穩(wěn)壓器(CCR),采用安森美半導(dǎo)體正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),結(jié)合公司在工藝控制方面的專長,提供低成本優(yōu)勢,支持寬電壓范圍,提供比電阻型驅(qū)動器更高的能效及較高的穩(wěn)流精度,并更利于保護LED。

建筑物照明中,同樣可以采用安森美半導(dǎo)體的高能效LED驅(qū)動方案,例如CAT4103、CAT4109三通道線性恒流驅(qū)動器是高亮度RGB LED驅(qū)動器,應(yīng)用于新興的高亮度、高視覺沖擊力LED建筑物照明中的RGB LED像素控制。而CAT4106是多通道升壓型LED驅(qū)動器,適合較大尺寸的通用 LCD背光應(yīng)用,能夠驅(qū)動多達40個白光LED,提供總計達6 W的LED輸出功率,并幫助設(shè)計人員提升背光能效至最高。此外,采用LED背光的大尺寸液晶電視日益趨多,其中以側(cè)光式LED背光為主,通常需要采用6個單串的LED光條(每串LED視為一個 LED道)?，F(xiàn)有6通道側(cè)光式LED電視中每個LED通道均含有專用驅(qū)動器IC、電感型DC—DC升壓轉(zhuǎn)換器及及開關(guān)。而安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于大尺寸側(cè)光式LED背光液晶電視的多通道線性LED驅(qū)動器CAT4026是一種高性價比方案,支持高數(shù)量的通道,能以單顆IC控制6個LED通道,能效目標(biāo)范圍高于90%,能效典型值量多達94%,且針對LED開路和過多LED短路等故障條件提供保護。CAT4026的簡略應(yīng)用示意圖參見圖2。

圖2 基于安森美半導(dǎo)體CA T4026的大尺寸LED背光液晶電視多通道線性側(cè)光方案

而在通用照明應(yīng)用方面,不同功率應(yīng)用同樣需要不同的LED驅(qū)動方案。如在低功率應(yīng)用中,可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000帶功率因數(shù)校正的離線式LED驅(qū)動器,兼容TRIAC調(diào)光。這種驅(qū)動器直接驅(qū)動 LED,并帶緊密的恒流輸出穩(wěn)流;功率因數(shù)高于0.9,符合IEC C類諧波含量標(biāo)準(zhǔn),超出“能源之星”的規(guī)范;處于5～15 W的低輸出功率電平時,能效高于80%,典型能效高于83%,非常適合這類通用照明應(yīng)用。而在大功率的街道照明應(yīng)用中,可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器加NCP1397諧振半橋控制器這樣的整體式方案,能效達92%～93%,并降低電磁干擾。

總 結(jié)

隨著LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善,LED照明正從小尺寸移動設(shè)備背光、相機閃光、大型顯示屏等專業(yè)細(xì)分應(yīng)用進一步擴展開來,邁進汽車照明、較大LCD背光甚至通用照明市場,前景備受看好。瞄準(zhǔn)這些應(yīng)用的設(shè)計人員需要選擇高性能、高能效的LED照明驅(qū)動方案。安森美半導(dǎo)體提供豐富的高能效LED驅(qū)動器/穩(wěn)壓器選擇,滿足不同細(xì)分應(yīng)用、電流要求及功率等級的需求,并提供經(jīng)過測試的高能效GreenPoint參考設(shè)計,幫助設(shè)計人員縮短設(shè)計周期,加快產(chǎn)品上市進程。