LED照明全方位渗透,高能效驱动方案点亮前景

安森美半导体

当今电能需求与生产日趋失衡,最有效的途径就是提升能效,即利用技术,以更少的电能来执行相同的任务或功能。电能使用涉及众多的领域。以常见的建筑物为例,据有关资料统计,美国建筑物总能耗中约有30%源自照明领域,而中国估计也达到11%～12%。由此看来,照明领域的节能潜力巨大。

安森美半导体LED通用照明及电源营销和系统工程总监Laurent Jenck(郑乐康)指出,以一款典型的 100 W白炽灯为例,其中约有95 W 的电能转化为热量,仅5 W电能转化为光。因此,世界上许多国家都开始逐步淘汰一般的白炽灯,鼓励使用节能灯。与白炽灯相比,紧凑型荧光灯(CFL)和线性荧光灯(LFL)等节能灯的能耗大幅下降(约相当于白炽灯的1/5),但这些传统节能灯中包含剧毒化学物质汞,对环境有不良影响。而高亮度发光二极管(HB-LED)近年来在光输出、能效及成本等方面全面改善,同时具有小巧、低压工作及环保等众多优势,正在照明领域掀起革命。

LED照明进入各领域,应用将更普及

如今,在屏幕尺寸小于4英寸的手机、相机闪光等移动设备应用中,以及路边及体育场中大型显示屏应用中,LED照明,或称固态照明(SSL),几乎占据了100%的份额。除此之外,LED照明也在向其他领域迈进。在汽车应用中,LED照明占据约15%的份额;而在较大液晶显示屏(LCD)的背光应用中,虽然冷阴极荧光灯(CCFL)仍然占据主导地位,但 LED照明的总渗透率也达到约20%,参见图1。Laurent Jenck分析,在备受瞩目的大尺寸液晶电视背光应用中,LED背光的液晶电视在未来3到4年间,将占据50%的份额。

安森美半导体在电源管理及高能效方案具备专长及优势,故能发挥其在电源能效方面的实力,提供专用LED驱动器用于便携、消费、工业和汽车等市场,并且固态照明方案符合世界各地的规范要求,如GreenPoint参考设计电源板。

图1 LED照明在各种应用的渗透比例

相比较而言,LED照明在灯泡、嵌灯、街道及区域照明、任务灯、景观照明、商业建筑物照明,以及广告牌文字电路照明等通用照明领域的渗透比例偏低,目前小于2%,远低于其他照明类型。但LED照明具有高能效等优势,使其在通用照明市场也极具应用潜力。例如,安森美半导体对从零售商店购得的一款卤素台灯(采用35 W灯泡)进行重新设计。原卤素灯中无电子组件,仅含1个较重的60 Hz变压器,在AC 120 V条件下的输入功率为41.7 W,在0.5 m处测得的光亮度为744 lm。重新设计的台灯采用LED模块,灯底部采用安森美半导体NCP1014自供电单片式开关稳压器,在AC 120 V条件下输入功率为10.9 W,即能耗仅相当于原卤素灯的1/4。同时,在同等距离条件下测得的光亮度为795 lm,72.9 lm/W的能效更是数倍于原卤素灯17.8 lm/W。

当然,价格是LED照明在通用照明领域快速普及的一项制约因素。不过,安森美半导体的 Laurent Jenck谈及半导体的发展历史时指出,半导体技术刚刚问世时,其成本非常高昂以至于局限在美国军方的对成本不敏感的应用中,如军事卫星;但随着应用范围的拓广及应用的增多,半导体产品最后进入消费市场,广泛应用于我们日常工作生活的各个角落。因此,LED照明的价格/成本也将逐步趋向消费应用。Laurent Jenck预计,LED通用照明可望在5年内开始进入主流家庭应用。

世界各地的规范机构也在积极制定和发布相关的LED照明能效规范。例如美国“能源之星”的1.1版固态照明规范已于2009年2月起生效。该规范对聚光灯或户外灯等不同产品的应用能效要求各不相同,并且包含功率因数要求。就中国而言,负责能效标准制定的中国标准化研究院正准备研究中国的LED照明能效标准。

宽范围、高能效及创新的驱动方案

由于LED照明应用前景良好,要促进它的不断发展,必须针对不同的LED照明应用选择适合的驱动方案。安森美半导体提供宽范围、高能效及创新和强固的 LED照明方案。不论是电池供电应用,或是直接采用交流或直流线路供电的应用,安森美半导体均提供适合的高能效LED驱动器方案,如电感型及电荷泵型 LED驱动器、开关稳压器、高集成度照明管理集成电路(LMIC)、线性恒流驱动器(CCR)、功率因数校正(PFC)集成电路、高压开关电源方案,以及丰富的MOSFET、整流器和其他分立产品及电路保护系列。

在电池供电的移动设备背光应用中,可以采用不同的LED驱动技术,如线性电流驱动器、电感升压型开关稳压器、电荷泵型驱动器等。这几种驱动技术各有其特点及要求,所以能配合客户的需要为他们提供最适合其产品应用的LED驱动技术。线性电流驱动器简单易用,无开关噪声,而且外部元件数量极少,但这种驱动器的正向电压必须低于电池电压,且能效与输入电压及LED正向电压有关。电感升压型开关稳压器的LED串电流匹配度极佳,且在电池线路电压范围内具有极高能效,支持长串LED大功率/高压工作。电荷泵型驱动器典型产品采用基于电容的开关拓扑结构,并集成线性驱动器用于紧密电流匹配,具有高开关频率,外部元件数量极少。

在汽车应用中,根据电流大小的不同,同样需要采用不同的LED驱动器。一个新的趋势是,在电流常常仅数十mA的组合尾灯应用中,以线性恒流稳压器来替代目前常用的电阻型驱动器。电阻型驱动方案简单且成本低,但能效极低,还面临高压时大电流应力、LED编码及热失控等问题。鉴于此,安森美半导体推出了创新的双端及三端型线性恒流稳压器(CCR),采用安森美半导体正待批专利的自偏置晶体管(SBT)技术,结合公司在工艺控制方面的专长,提供低成本优势,支持宽电压范围,提供比电阻型驱动器更高的能效及较高的稳流精度,并更利于保护LED。

建筑物照明中,同样可以采用安森美半导体的高能效LED驱动方案,例如CAT4103、CAT4109三通道线性恒流驱动器是高亮度RGB LED驱动器,应用于新兴的高亮度、高视觉冲击力LED建筑物照明中的RGB LED像素控制。而CAT4106是多通道升压型LED驱动器,适合较大尺寸的通用 LCD背光应用,能够驱动多达40个白光LED,提供总计达6 W的LED输出功率,并帮助设计人员提升背光能效至最高。此外,采用LED背光的大尺寸液晶电视日益趋多,其中以侧光式LED背光为主,通常需要采用6个单串的LED光条(每串LED视为一个 LED道)。现有6通道侧光式LED电视中每个LED通道均含有专用驱动器IC、电感型DC—DC升压转换器及及开关。而安森美半导体应用于大尺寸侧光式LED背光液晶电视的多通道线性LED驱动器CAT4026是一种高性价比方案,支持高数量的通道,能以单颗IC控制6个LED通道,能效目标范围高于90%,能效典型值量多达94%,且针对LED开路和过多LED短路等故障条件提供保护。CAT4026的简略应用示意图参见图2。

图2 基于安森美半导体CA T4026的大尺寸LED背光液晶电视多通道线性侧光方案

而在通用照明应用方面,不同功率应用同样需要不同的LED驱动方案。如在低功率应用中,可以采用安森美半导体的NCL30000带功率因数校正的离线式LED驱动器,兼容TRIAC调光。这种驱动器直接驱动 LED,并带紧密的恒流输出稳流;功率因数高于0.9,符合IEC C类谐波含量标准,超出“能源之星”的规范;处于5～15 W的低输出功率电平时,能效高于80%,典型能效高于83%,非常适合这类通用照明应用。而在大功率的街道照明应用中,可以采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器加NCP1397谐振半桥控制器这样的整体式方案,能效达92%～93%,并降低电磁干扰。

总 结

随着LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善,LED照明正从小尺寸移动设备背光、相机闪光、大型显示屏等专业细分应用进一步扩展开来,迈进汽车照明、较大LCD背光甚至通用照明市场,前景备受看好。瞄准这些应用的设计人员需要选择高性能、高能效的LED照明驱动方案。安森美半导体提供丰富的高能效LED驱动器/稳压器选择,满足不同细分应用、电流要求及功率等级的需求,并提供经过测试的高能效GreenPoint参考设计,帮助设计人员缩短设计周期,加快产品上市进程。