第二讲：大功率LED区域照明驱动方案
中心议题：
- LED区域照明应用要求
- LED区域照明电源架构
- 典型大功率LED区域照明驱动方案
- NUD4700分流器件增强LED串的可靠性
解决方案：
- 分布式/模块化方案
- 整体式/单段式方案
- 高能效LLC拓扑结构驱动电源
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【class1】：LED照明驱动方案选型
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012637?source=lecture
LED越来越多地开始被用于大功率区域照明，如高顶灯、停车库照明、洗墙灯、街灯、隧道照明等。随着LED照明技术的不断演进，应用于大功率LED区域照明应用的驱动方案需要不断更新、改进，使LED控制达到新高度，实现智能控制，增强节能和延长LED工作寿命。本期大讲台将在介绍LED区域照明应用的要求及LED区域照明电源架构的基础之上，重点介绍安森美半导体在大功率LED区域照明方面的一些典型驱动方案，以帮助工程师进行大功率LED区域照明设计。
LED区域照明应用要求
LED驱动器的主要功能就是在多种条件下限流，并保护LED免受浪涌及其它故障条件影响，以及提供某种等级的安全性，避免(电气和/或机械方式的)震动及着火，可能需要“智能”控制光输出等级，来配合远程控制、监控及保护 。对于区域照明应用而言，室外环境会给LED驱动器带来温度挑战，且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比标准电压更高的交流输入电压。
区域照明应用的LED驱动器可能还需要符合某些有关功率因数或谐波含量的规范标准。如欧盟的国际电工联盟(IEC)的IEC61000-3-2标准对功率超过25 W的照明设备(C类)的谐波含量提出了要求，相当于总谐波失真(THD)低于35%；但符合IEC61000-3-2 C类谐波含量要求并不必然表示功率因数(PF)高于0.9。而某些市场(如美国)通常要求PF高于0.9及THD低于20%。
很多区域照明应用都在室外，可能会经受各种严格温度条件，从而使总体使用寿命受到影响。而总体系统设计对使用寿命有重要影响，故使用内部发热较少、损耗更低的高能效LED驱动器非常重要，而且在设计中要对驱动器与LED热源进行热隔离，从而增强系统可靠性。
区域照明驱动器示例如图1所示。
图1 区域照明驱动器示例
LED区域照明电源架构
LED区域照明电源需要很多颗1 W LED来产生所要求的流明输出(40到超过100颗)，要可以调节设计以用于多种不同的光等级，此外，街灯要求特殊的光分布，对光电器件有要求。大功率LED区域照明应用中，一种常见的电源架构是“功率因数校正(PFC)+恒压(CV)+恒流(CC)”的三段式架构。这种架构中，交流输入电源经过功率因数校正和隔离型直流-直流(DC-DC)转换后，输出24至80 Vdc的固定电压，提供给后面内置DC-DC降压转换电路的恒流LED模块(见图2)。这种架构的设计提供了能够现场升级的模块化途径，可根据实际需求，灵活改变LED光条数量，从而增加或减小光输出，满足具体区域照明应用要求。
图2 典型的模块化LED区域照明电源架构示意图
典型大功率LED区域照明驱动方案
1）适合线性灯、线槽灯等应用的分布式/模块化方案
在“功率因数校正(PFC)+恒压(CV)+恒流(CC)”的三段式架构下，交流-直流(AC-DC)转换与LED驱动电路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既简化安全考虑又增强系统灵活性，也称作分布式方案，典型应用包括线性灯及线槽灯等。
在模块化途径下，一项设计能够扩展用于多种光输出等级。而且随着LED光输出性能增强，LED模块要提供相同光输出等级，所需采用的灯条就更好。而每个灯条都设有一个专用的DC-DC LED驱动器，如可以采用安森美半导体的CAT4201高能效降压LED驱动器。CAT4201专门优化用于驱动大电流LED，采用具有专利的开关控制算法，提供高能效及精确的LED稳流(可达350 mA)。CAT4201的工作简化框图如图3所示。
图3 CAT4201工作简化框图
CAT4201可采用最高36 V的电源电压供电，并兼容于12 V和24 V标准照明系统。图4显示的是CAT4201的高压LED驱动器配置，外围的N沟道MOSFET支持高压输入：100 V输入电压时LED功率达30 W；50 V输入时LED功率达13 W。
图4 CAT4201高压LED驱动器配置
典型高压降压LED驱动器性能如图5所示，从图中可以看出当Vf/Vin大于0.8时，CAT4201可以提供93%至95%范围的能效。
图5 典型高压降压LED驱动器性能
2) 适合洗墙灯、外墙灯等应用的整体式/单段式方案
区域照明应用除了采用分布式/模块化方案之外，还可采用整体式/单段式方案。例如可以采用安森美半导体的NCL30001功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器。
NCL30001是一种单段拓扑结构LED驱动方案，其灵活的特性非常适合应用于新的LED照明产品，其他规格特性还包括高压启动电路、电压前馈以改善环路响应、输入欠压检测、内部过载定时器、闩锁输入，以及减少输入线路谐波的高精度乘法器。这种方案采用连续导电模式(CCM)工作，集成了PFC和隔离型DC-DC转换电路，并提供恒定电流来直接驱动LED，相当于将AC-DC转换与LED驱动两部分电路整合在一起，均位于照明灯具内，省去了LED光条中集成的线性或DC-DC转换器。这种整体式方案的电源转换段更少，减少元器件使用数量(如光学元件、LED、电子元件及印制电路板等)，降低系统成本，并支持更高的LED电源总体能效。当然，这种方案的功率密度更高，可能并不适合所有区域照明应用，其光学图案可能更适合较低功率的LED，典型应用包括LED街灯、外墙灯、洗墙灯及电冰箱箱体照明等。
NCS1002是一款带PWM调光功能的次级端恒压恒流(CVCC)控制器，适合LED街灯等区域照明应用，配合NCL30001控制器更可以设计出高功效、具有调光功能的LED驱动器演示板。基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W LED驱动器演示板电路如图6所示。
图6 基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W LED驱动器演示板电路
安森美半导体提供的这款基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W恒压恒流演示板，可接受90至265 Vac的扩展通用输入电压(更换元件条件下可支持305 Vac)，提供0.7 A至1.5 A的恒定电流输出范围及30 V至55 V的恒定输出电压范围(可通过电阻分压器来选择)，最大输出功率90 W，支持50至1,000 Hz调光控制，并包含可连接至可选调光卡的6引脚接口，用于模拟电流调节/双亮度等级数字调光等智能调光应用。此外，这款演示板还提供短路保护、开路保护、过温保护、过流保护及过压保护等丰富保护特性。测试结果表明，如表1所示，这演示板在50 W输出功率、1,000 mA输出电压/48 V正向压降条件的能效高于87%，在50%至100%负载条件下功率因数高于0.9，同时符合IEC61000-3-2 C类设备谐波含量标准。
表1 基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驱动器演示板能效测试结果
3) 适合更大功率区域照明应用的高能效LLC拓扑结构驱动电源
近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在更大功率的50 W至250 W LED区域照明应用中提供高能效(如高于90%)。要提供这样高的能效，需要采用高能效的电源拓扑结构，如谐振半桥双电感加单电容(LLC)拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。
LLC拓扑结构采用串联类型的谐振转换器，能在相对宽的输入电压和输出负载范围下工作。此外，由于谐振储能元件可以部分或完全集成在主变压器中，LLC拓扑结构只需要数量有限的元器件。再加上在所有负载条件下，LLC拓扑结构的初级开关都能工作在零电压开关条件，次级整流器都能工作在零电流开关条件。所以，LLC拓扑结构是高性价比、高能效及优化了电磁干扰的解决方案。
在这类要求超高能效的更大功率LED区域照明应用中，可以结合采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器和NCP1397双电感加单电容(LLC)半桥谐振控制器，用于功率在100到300 W范围的高能效LED街道照明应用，如图7所示。NCP1397是最新高性能谐振模式LLC控制器，集成了600 V高压浮动驱动器，支持50到500 kHz的高频工作，内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。
图7 基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED电源方案
NUD4700分流器件增强LED串可靠性
区域照明应用中通常会采用多串LED，虽然LED本身可靠性高，但若LED串中的某个LED开路，那么整串LED就可能关闭，而街道照明等应用中必须避免这种状况，从而降低后期维护成本。为了增强LED串的可靠性，这种安森美半导体推出了NUD4700 LED电流旁路保护器。NUD4700器件是一款分流器件，当LED串中某个LED开路时，就会提供电流旁路，确保整串LED不会关闭；而且恰当处理散热的话，还可支持大于1 A的大电流，其工作原理如图8所示。
图8 NUD4700工作原理
总结
本文主要介绍了安森美半导体提供的几种典型大功率LED区域照明应用驱动方案，包括CAT4201降压LED驱动器、NCL30001功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器、基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W LED驱动器演示板以及NCP1607 PFC控制器及NCP1397谐振半桥LLC控制器方案，这些方案具有高效、可靠的特点，工程师在设计大功率LED照明的时候不妨拿来使用，或作为参考。
