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LED區(qū)域照明驅(qū)�(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)�(jì)

編輯:admin 2014-06-25 14:53:39 瀏覽�1064  來源�

  從應(yīng)用領(lǐng)域來看,照明涵蓋住宅照明、工�(yè)照明、街道照明和餐廳、零售及服務(wù)�(yè)照明等不同類別。而從功率等級(jí)來看,除了低功率照明,也包括大功率區(qū)域照明,典型�(yīng)用如柱燈、洗墻燈、外墻燈、隧道照明、街燈、停車場(chǎng)及公共安全照明、工�(yè)及零售照明等室外照明,以及低頂燈、高頂燈、凍�/冰箱及停車庫(kù)等室�(nèi)照明�

  大功率區(qū)域照明存在不少挑�(zhàn),如燈具可能難以接近、光源發(fā)生故障時(shí)可能帶來安全問題、戶外存在多種極端環(huán)境條件等。此外,不容忽視的是,應(yīng)用于大功率區(qū)域照明的�(xiàn)有光�(如金屬鹵�?zé)簟⒏邏衡c燈、線性熒光燈及緊湊型熒光�)存在著不少局限,如高壓鈉燈的顯色性差(CRI約為 22),金屬鹵�?zé)舻牡湫蜔艟邠p耗較�(40%)且其從啟�(dòng)到發(fā)光至完整亮度�(jīng)歷的�(shí)間可能長(zhǎng)�(dá)10分鐘,線性熒光燈的冷溫度性能差,緊湊型熒光燈的啟�(dòng)速度也較慀�

  另一方面,隨著高亮度白光�(fā)光二極管(LED) 在性能和成本等方面持續(xù)改�(jìn),越來越多地用于大功率區(qū)域照明,并提供傳�(tǒng)光源不具備的�(yōu)�(shì),如�(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保,并且其開啟和�(guān)閉能夠更方便地控制,便于自動(dòng)檢測(cè)�(huán)境光從而改變亮�;此外,LED的可靠性也更佳,利于降低維�(hù)成本及總體擁有成本�

  一、LED區(qū)域照明應(yīng)用要�

  LED�(qū)�(dòng)器的主要功能就是在多種條件下限流,并要保�(hù)LED免受浪涌及其它故障條件影響,以及提供某種等級(jí)的安全性,避免(電氣�/或機(jī)械方式的)震動(dòng)及著火。對(duì)于區(qū)域照明應(yīng)用而言,室外環(huán)境會(huì)給LED�(qū)�(dòng)器帶來溫度挑�(zhàn),且可能需要承�277 Vac�347 Vac或者甚�480 Vac等比�(biāo)�(zhǔn)電壓更高的交流輸入電壓�

  區(qū)域照明應(yīng)用的LED�(qū)�(dòng)器可能還需要符合某些有�(guān)功率因數(shù)或諧波含量的�(guī)范標(biāo)�(zhǔn)。如歐盟的國(guó)際電工聯(lián)�(IEC)的IEC61000-3-2�(biāo)�(zhǔn)�(duì)功率超過25 W的照明設(shè)�(C�)的諧波含量提出了要求,相�(dāng)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�(shù)(PF)高于0.9。而某些市�(chǎng)(如美�(guó))通常要求PF高于0.9及THD低于20%�

  很多區(qū)域照明應(yīng)用都在室外,可能�(huì)�(jīng)受各種嚴(yán)格溫度條件,從而使總體使用壽命受到影響。而總體系�(tǒng)�(shè)�(jì)�(duì)使用壽命有重要影響,故使用內(nèi)部發(fā)熱較少、損耗更低的高能效LED�(qū)�(dòng)器非常重要,而且在設(shè)�(jì)中要�(duì)�(qū)�(dòng)器與LED熱源�(jìn)行熱隔離,從而增�(qiáng)系統(tǒng)可靠性�

  LED照明的控制也可以變得更加智能化。傳�(tǒng)街燈以定�(shí)器或�(huán)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�(shù),可以提供高度靈活的LED區(qū)域照明控制,如基于時(shí)間的光輸出等�(jí)集中控制、基于車流量傳感器的�(fā)光等�(jí)控制,以及根�(jù)檢測(cè)人、車活動(dòng)來調(diào)控市中心照明,兼顧步行車及街道照明。LED智能控制技�(shù)在節(jié)省電能之余,還不�(huì)損及安全性。典型應(yīng)用有如智能雙亮度等級(jí)照明,如公園、加油站頂棚、停車場(chǎng)所、樓梯及電冰箱箱體照明都支持根據(jù)需要來�(diào)整亮度等�(jí)的照明。LED能夠即時(shí)�(dǎo)通及�(guān)閉,能夠在這些�(yīng)用中方便地根�(jù)�(dòng)作或活動(dòng)來調(diào)節(jié)照明等級(jí),如在未檢測(cè)到活�(dòng)�(shí)提供20%-40%的亮度等�(jí),而在檢測(cè)到活�(dòng)�(shí)提供100%亮度的照明。這樣就利于大量節(jié)省額外的電能消耗�

  二、LED區(qū)域照明電源架�(gòu)及典型LED�(qū)�(dòng)方案

  1)適合線性燈、線槽燈等應(yīng)用的分布�/模塊化方�

  大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中,一種常見的電源架構(gòu)是“功率因�(shù)校正(PFC)+恒壓(CV)+恒流(CC)”的三段式架�(gòu)。這種架構(gòu)中,交流輸入電源�(jīng)過功率因�(shù)校正和隔離型直流-直流(DC-DC)�(zhuǎn)換后,輸�24�80 Vdc的固定電壓,提供給后面內(nèi)置DC-DC降壓�(zhuǎn)換電路的恒流LED模塊(見圖2)。這種架構(gòu)的設(shè)�(jì)提供了能夠現(xiàn)�(chǎng)升級(jí)的模塊化途徑,可根據(jù)�(shí)際需求,靈活改變LED光條�(shù)量,從而增加或減小光輸出,滿足具體區(qū)域照明應(yīng)用要求。這種架構(gòu)下,交流-直流(AC-DC)�(zhuǎn)換與LED�(qū)�(dòng)電路并未集成在一起,而是采用分布式配置,既簡(jiǎn)化安全考慮又增�(qiáng)系統(tǒng)靈活性,也稱作分布式方案,典型應(yīng)用包括線性燈及線槽燈等�

LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)計(jì)

�1 典型的模塊化LED區(qū)域照明電源架�(gòu)示意�

  在這種模塊化途徑下,一�(xiàng)�(shè)�(jì)能夠�(kuò)展用于多種光輸出等級(jí)。而且隨著LED光輸出性能增強(qiáng),LED模塊要提供相同光輸出等級(jí),所需采用的燈條就更好。而每�(gè)燈條都設(shè)有一�(gè)專用的DC-DC LED�(qū)�(dòng)器,如可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201高能效降壓LED�(qū)�(dòng)器。CAT4201專門�(yōu)化用于驅(qū)�(dòng)大電流LED,采用具有專利的開關(guān)控制算法,提供高能效及精確的LED�(wěn)�(可達(dá)350 mA)。CAT4201可采用最�36 V的電源電壓供電,并兼容于12 V�24 V�(biāo)�(zhǔn)照明系統(tǒng)。圖3顯示的是CAT4201的高壓LED�(qū)�(dòng)器配置,外圍的N溝道MOSFET支持高壓輸入�100 V輸入電壓�(shí)LED功率�(dá)30 W;50 V輸入�(shí)LED功率�(dá)13 W�

LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)計(jì)

�2 CAT4201高壓LED�(qū)�(dòng)器配�

  2)適合洗墻燈、外墻燈等應(yīng)用的整體�/單段式方�

  并不是所有的區(qū)域照明應(yīng)用都要求采用分布�/模塊化方案。隨�白光LED性能的快速提升,新型LED已經(jīng)可以配合新的LED�(qū)�(dòng)器設(shè)�(jì)方法。領(lǐng)先的LED制造商已經(jīng)推出支持更大電流及具備更高發(fā)光性能的新型LED,如CREE� XP-G系列LED(正向壓降�3.3 V)�1 A電流�(shí)可提�330流明光輸出,Seoul Semiconductor的P7系列LED(正向壓降�3.3 V)�1.4 A�(shí)可提�400 流明光輸出。在這種條件下,可以配置新穎的LED�(qū)�(dòng)器來直接�(qū)�(dòng)1 A�3 A的大電流。例如,可以采用安森美半�(dǎo)體的NCL30001功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED�(qū)�(dòng)器�

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

LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)計(jì)

�3 基于NCL30001 LED�(qū)�(dòng)器和NCS1002控制器的90 W LED�(qū)�(dòng)器演示板電路

  �90 W恒壓恒流演示板接�90�265 Vac的擴(kuò)展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305 Vac),提�0.7 A�1.5 A的恒定電流輸出范�(可通過微幅�(diào)節(jié)電阻來選�)�30 V�55 V的恒定輸出電壓范�(可通過電阻分壓器來選擇),最大輸出功�90 W,支�50�1�000 Hz�(diào)光控制,并包含可連接至可選調(diào)光卡�6引腳接口,用于模擬電流調(diào)節(jié)/雙亮度等�(jí)�(shù)字調(diào)光等智能�(diào)光應(yīng)用。此外,這演示板還提供短路保�(hù)、開路保�(hù)、過溫保�(hù)、過流保�(hù)及過壓保�(hù)等豐富保�(hù)特性。測(cè)試顯示,這演示板�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�87%(詳見�1),在50%�100%�(fù)載條件下功率因數(shù)高于0.9,同�(shí)符合IEC61000-3-2 C類設(shè)備諧波含量標(biāo)�(zhǔn)�

LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)計(jì)

�4 基于NCL30001和NCS1002�90 W LED�(qū)�(dòng)器演示板能效�(cè)試結(jié)�

  3)用于更大功率區(qū)域照明應(yīng)用的高能效LLC�?fù)浣Y(jié)�(gòu)�(qū)�(dòng)電源

  近年來,�(yè)界對(duì)超高能效的LED照明�?fù)浣Y(jié)�(gòu)興趣日濃,期望在更大功率�50 W�250 W LED區(qū)域照明應(yīng)用中提供高能�(如高�90%)。要提供這樣高的能效,需要采用高能效的電源拓?fù)浣Y(jié)�(gòu),如諧振半橋雙電感加單電�(LLC)�?fù)浣Y(jié)�(gòu),從而充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)的優(yōu)�(shì)�

  在這類要求超高能效的更大功率LED區(qū)域照明應(yīng)用中,可以結(jié)合采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電�(LLC)半橋諧振控制器,用于功率�50�300 W范圍的高能效LED街道照明�(yīng)用。NCP1397是最新高性能諧振模式LLC控制器,集成�600 V高壓浮動(dòng)�(qū)�(dòng)器,支持50�500 kHz的高頻工作,�(nèi)置高端和低端�(qū)�(dòng)器,支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率,提供極高能效,并具備多種故障保護(hù)特性�

LED區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與典型設(shè)計(jì)

�5 基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案

  三、增�(qiáng)LED串可靠性的保護(hù)方案

  區(qū)域照明應(yīng)用中通常�(huì)采用多串LED。雖然LED本身可靠性高,但若LED串中的某�(gè)LED開路,那么整串LED就可能關(guān)閉,而街道照明等�(yīng)用中要避免這種狀況,從而降低后期維�(hù)成本。安森美半導(dǎo)體推出了NUD4700 LED電流旁路保護(hù)器。這器件是一款分流器件,萬一LED串中某�(gè)LED開路,則�(huì)提供電流旁路,確保在某�(gè)LED故障的條件下整串LED不會(huì)�(guān)�;而且恰當(dāng)處理散熱的話,還可支持大�1 A的大電流�

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