高壓鈉燈(HPS)等高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)具有光強(qiáng)度高、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于諸如街道照明、停車場及公園等公共場合的區(qū)域照明應(yīng)用。另一方面，高亮度白光發(fā)光二極管(LED)在性能和成本等方面持續(xù)改進(jìn)，非常適合區(qū)域照明應(yīng)用，并且提供一些HID所不具備的優(yōu)勢，如方向性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環(huán)境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護(hù)成本及總體擁有成本。
當(dāng)然，要在街道和區(qū)域照明應(yīng)用中采用LED來替代HID并產(chǎn)生同等的光輸出，就要求采用大陣列的LED。要驅(qū)動這些大陣列的LED，設(shè)計人員可以選擇不同的方案。另外，不同LED串的亮度需要保持一致，如果某個LED發(fā)生開路故障，可能造成整串LED關(guān)閉的后果，故需要顧及為LED串提供保護(hù)的方案。此外，要構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)的智能化LED街燈控制系統(tǒng)，也需要采用適合的通信及線路驅(qū)動方案。下文將探討這些問題及相應(yīng)的安森美半導(dǎo)體解決方案。
LED街燈及區(qū)域照明驅(qū)動電源選擇
區(qū)域照明應(yīng)用的功率一般高于40 W。根據(jù)應(yīng)用條件或要求的不同，可以采用不同的電源方案來驅(qū)動LED陣列。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供用于LED街燈及區(qū)域照明的不同電源方案，滿足客戶不同需求。
1) 基于NCL30001的電流可調(diào)節(jié)恒流功率因數(shù)校正區(qū)域照明LED電源
有些區(qū)域照明應(yīng)用場合要求提供帶輸入功率因數(shù)校正的隔離型穩(wěn)壓輸出電壓。這些應(yīng)用通常采用兩段式的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，其中的升壓功率因數(shù)校正(PFC)將交流輸入線路電壓轉(zhuǎn)換及預(yù)穩(wěn)壓為直流400 V電壓，然后提供電壓給可以是任何適當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的常規(guī)直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器(功率不超過150 W的應(yīng)用中通常是反激轉(zhuǎn)換器)。
我們能夠采用一種更簡單的方法來改進(jìn)這種傳統(tǒng)的兩段式轉(zhuǎn)換架構(gòu)，使其成為一種集成功率因數(shù)校正和主轉(zhuǎn)換器(即DC-DC轉(zhuǎn)換器)的單段式架構(gòu)。這種單段式架構(gòu)提供具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，因?yàn)闊o需使用大尺寸的升壓電感、高壓MOSFET、功率整流器和大電容。當(dāng)然，這種單段式架構(gòu)會帶來某些方面的一些性能折衷，但卻是一種高能效及高性價比的方案，適合于負(fù)載相對恒定的應(yīng)用，如LED區(qū)域照明。
NCL30001就是一種單段式控制器，集成了功率因數(shù)校正和隔離型降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，幫助減少元件數(shù)量、降低系統(tǒng)成本，支持更高的LED電源總體能效。NCL30001提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換(圖1)。安森美半導(dǎo)體的設(shè)計筆記AND8427中描述了一種基于NCL30001單段連續(xù)電流模式(CCM) PFC控制器和NCS1002次級端恒壓恒流(CVCC)控制器的LED電源，適合街燈等區(qū)域照明應(yīng)用。
圖1：基于NCL30001的LED驅(qū)動電源方案適合40到125 W區(qū)域照明應(yīng)用。
測試表明，在90至264 Vac輸入電壓條件下，基于NCL30001的LED電源提供高于85%的高能效，功率因數(shù)也高于0.9，并提供短路和過壓保護(hù)。設(shè)計人員略微調(diào)整次級端控制電路中的電阻，就可以調(diào)節(jié)穩(wěn)流電流及穩(wěn)壓電壓，從而支持終端產(chǎn)品的具體應(yīng)用要求。另值一提的是，雖然這種電源是設(shè)計旨在提供緊密穩(wěn)流的固定電流，但也可以工作在恒定電壓模式，因?yàn)槠潆娏骱碗妷焊鶕?jù)NCS1002中集成的緊密穩(wěn)壓的2.5 V參考電壓來穩(wěn)流和穩(wěn)壓。
高壓鈉燈(HPS)等高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)具有光強(qiáng)度高、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于諸如街道照明、停車場及公園等公共場合的區(qū)域照明應(yīng)用。另一方面，高亮度白光發(fā)光二極管(LED)在性能和成本等方面持續(xù)改進(jìn)，非常適合區(qū)域照明應(yīng)用，并且提供一些HID所不具備的優(yōu)勢，如方向性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環(huán)境光從而改變亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低維護(hù)成本及總體擁有成本。
當(dāng)然，要在街道和區(qū)域照明應(yīng)用中采用LED來替代HID并產(chǎn)生同等的光輸出，就要求采用大陣列的LED。要驅(qū)動這些大陣列的LED，設(shè)計人員可以選擇不同的方案。另外，不同LED串的亮度需要保持一致，如果某個LED發(fā)生開路故障，可能造成整串LED關(guān)閉的后果，故需要顧及為LED串提供保護(hù)的方案。此外，要構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)的智能化LED街燈控制系統(tǒng)，也需要采用適合的通信及線路驅(qū)動方案。下文將探討這些問題及相應(yīng)的安森美半導(dǎo)體解決方案。
LED街燈及區(qū)域照明驅(qū)動電源選擇
區(qū)域照明應(yīng)用的功率一般高于40 W。根據(jù)應(yīng)用條件或要求的不同，可以采用不同的電源方案來驅(qū)動LED陣列。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供用于LED街燈及區(qū)域照明的不同電源方案，滿足客戶不同需求。
1) 基于NCL30001的電流可調(diào)節(jié)恒流功率因數(shù)校正區(qū)域照明LED電源
有些區(qū)域照明應(yīng)用場合要求提供帶輸入功率因數(shù)校正的隔離型穩(wěn)壓輸出電壓。這些應(yīng)用通常采用兩段式的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，其中的升壓功率因數(shù)校正(PFC)將交流輸入線路電壓轉(zhuǎn)換及預(yù)穩(wěn)壓為直流400 V電壓，然后提供電壓給可以是任何適當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的常規(guī)直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器(功率不超過150 W的應(yīng)用中通常是反激轉(zhuǎn)換器)。
我們能夠采用一種更簡單的方法來改進(jìn)這種傳統(tǒng)的兩段式轉(zhuǎn)換架構(gòu)，使其成為一種集成功率因數(shù)校正和主轉(zhuǎn)換器(即DC-DC轉(zhuǎn)換器)的單段式架構(gòu)。這種單段式架構(gòu)提供具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，因?yàn)闊o需使用大尺寸的升壓電感、高壓MOSFET、功率整流器和大電容。當(dāng)然，這種單段式架構(gòu)會帶來某些方面的一些性能折衷，但卻是一種高能效及高性價比的方案，適合于負(fù)載相對恒定的應(yīng)用，如LED區(qū)域照明。
NCL30001就是一種單段式控制器，集成了功率因數(shù)校正和隔離型降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，幫助減少元件數(shù)量、降低系統(tǒng)成本，支持更高的LED電源總體能效。NCL30001提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換(圖1)。安森美半導(dǎo)體的設(shè)計筆記AND8427中描述了一種基于NCL30001單段連續(xù)電流模式(CCM) PFC控制器和NCS1002次級端恒壓恒流(CVCC)控制器的LED電源，適合街燈等區(qū)域照明應(yīng)用。
圖1：基于NCL30001的LED驅(qū)動電源方案適合40到125 W區(qū)域照明應(yīng)用。
測試表明，在90至264 Vac輸入電壓條件下，基于NCL30001的LED電源提供高于85%的高能效，功率因數(shù)也高于0.9，并提供短路和過壓保護(hù)。設(shè)計人員略微調(diào)整次級端控制電路中的電阻，就可以調(diào)節(jié)穩(wěn)流電流及穩(wěn)壓電壓，從而支持終端產(chǎn)品的具體應(yīng)用要求。另值一提的是，雖然這種電源是設(shè)計旨在提供緊密穩(wěn)流的固定電流，但也可以工作在恒定電壓模式，因?yàn)槠潆娏骱碗妷焊鶕?jù)NCS1002中集成的緊密穩(wěn)壓的2.5 V參考電壓來穩(wěn)流和穩(wěn)壓。
2) 基于NCP1607和NCP1397的超高能效大功率LED街燈電源方案
近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)興趣日濃，期望在功率電平相對較低(<50 W)時提供高于90%的能效，這個能效目標(biāo)甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過49 W時能效高于87%)更高。要達(dá)到這樣高的能效，需要采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如從反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢。有利的是，安森美半導(dǎo)體早已著手開發(fā)能用于LED驅(qū)動電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397內(nèi)置高端和低端驅(qū)動器，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。基于NCP1607 PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容(LLC)半橋諧振控制器的LED電源方案(圖2)非常適合功率在50到300 W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用。
圖2：基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED電源方案。
除了這些方案，設(shè)計人員還可以根據(jù)設(shè)計需求選擇安森美半導(dǎo)體的其它LED電源方案，如NCP1607 PFC控制器+NCP1377準(zhǔn)諧振控制器，或NCP1607+NCP1392/3等。
增強(qiáng)LED串可靠性的保護(hù)方案
如前所述，區(qū)域照明應(yīng)用中通常會采用多串LED。雖然LED本身的可靠性很高，但如果LED串中的某個LED發(fā)生開路故障，那么整串LED就可能關(guān)閉，而街道照明等應(yīng)用中就要避免這種狀況，從而降低后期維護(hù)成本。有鑒于此，安森美半導(dǎo)體推出了NUD4700 LED電流旁路保護(hù)器(圖3)。這器件是一款分流器件，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(guān)閉；而且恰當(dāng)處理散熱的話，還可支持大于1 A的大電流。
圖3：LED分流保護(hù)。
構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)的LED街燈智能控制系統(tǒng)
對于LED街道照明而言，可以在集中控制中心與街燈之間應(yīng)用雙向通信，構(gòu)建完全聯(lián)網(wǎng)的智能街道照明系統(tǒng)。這樣，政府機(jī)構(gòu)、電力公司或商業(yè)團(tuán)體能夠遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)LED街燈的光輸出，并因此降低街道照明網(wǎng)絡(luò)的總能耗，并降低費(fèi)用支出。另外，也可以在系統(tǒng)中集成環(huán)境光傳感器，根據(jù)環(huán)境光的亮度來自動調(diào)節(jié)LED的光輸出，從而幫助節(jié)能。
有利的是，設(shè)計人員采用安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器、PLC線路驅(qū)動器NCS5650和諸如NOA1302這樣的環(huán)境光傳感器，基于電力線輕易地構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)型LED街燈智能控制系統(tǒng)(圖4)。其中，安森美半導(dǎo)體的環(huán)境光傳感器包含的輸出類型，如NOA1302和NOA1305提供的是數(shù)字輸出，而NOA1211為模擬輸出。這些光傳感器的工作電流極低，在100流明光輸出條件下分別僅為58 μA、550 μA和115 μA，因而對系統(tǒng)能效的影響極小。
圖4：基于AMIS-49587等器件的聯(lián)網(wǎng)型LED街燈智能控制系統(tǒng)。
總結(jié)：
安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，為LED區(qū)域照明應(yīng)用提供完全的解決方案，如基于NCL30001的電流可調(diào)節(jié)恒流功率因數(shù)校正方案和基于NCP1607及NCP1397的超高能效大功率方案等驅(qū)動電源方案，基于NUD4700的LED串保護(hù)方案，基于AMIS-49587、NCS5650和NOA1302的聯(lián)網(wǎng)型LED街燈控制方案，以及相關(guān)的MOSFET、整流器、濾波器和熱保護(hù)產(chǎn)品等，為用戶提供豐富的選擇，幫助他們縮短設(shè)計周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
供稿：安森美半導(dǎo)體
參考資料：
[1]. 《可調(diào)節(jié)0.7至1.5 A恒流、高達(dá)55 Vdc電壓的單段功率因數(shù)校正PFC電源》，安森美半導(dǎo)體應(yīng)用筆記AND8427，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8427-D.PDF
[2]. 安森美半導(dǎo)體LED照明方案選型手冊，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8034-D.PDF
[3].《LED通用照明應(yīng)用》培訓(xùn)教程，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/LED%20-%20High%20Brightness%20LED%20Driver%20Solutions%20for%20General%20Lighting%20-%20bilingual.rev2pdf.pdf