高壓鈉燈(HPS)等高強度氣體放電燈(HID)具有光強度高、壽命長等特點，廣泛應用于諸如街道照明、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，非常適合區(qū)域照明應用，并且提供一些HID所不具備的優(yōu)勢，如方向性更好、色彩質量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關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，利于降低維護成本及總體擁有成本。

 

當然，要在街道和區(qū)域照明應用中采用LED來替代HID并產生同等的光輸出，就要求采用大陣列的LED。要驅動這些大陣列的LED，設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關閉的后果，故需要顧及為LED串提供保護的方案。此外，要構建聯(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動方案。下文將探討這些問題及相應的安森美半導體解決方案。

 

LED街燈及區(qū)域照明驅動電源選擇

 

區(qū)域照明應用的功率一般高于40 W。根據(jù)應用條件或要求的不同，可以采用不同的電源方案來驅動LED陣列。安森美半導體身為應用于綠色電子產品的首要高性能、高能效硅方案供應商，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。這些應用通常采用兩段式的電源轉換架構，其中的升壓功率因數(shù)校正(PFC)將交流輸入線路電壓轉換及預穩(wěn)壓為直流400 V電壓，然后提供電壓給可以是任何適當拓撲結構的常規(guī)直流-直流(DC-DC)轉換器(功率不超過150 W的應用中通常是反激轉換器)。

 

我們能夠采用一種更簡單的方法來改進這種傳統(tǒng)的兩段式轉換架構，使其成為一種集成功率因數(shù)校正和主轉換器(即DC-DC轉換器)的單段式架構。這種單段式架構提供具備顯著的應用優(yōu)勢，因為無需使用大尺寸的升壓電感、高壓MOSFET、功率整流器和大電容。當然，這種單段式架構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，適合于負載相對恒定的應用，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)流恒流來直接驅動LED，省下了LED光條中集成的線性或DC-DC轉換(參見圖1)。安森美半導體的設計筆記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)域照明應用。

圖1：基于NCL30001的LED驅動電源方案適合40到125 W區(qū)域照明應用。

 

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。設計人員略微調整次級端控制電路中的電阻，就可以調節(jié)穩(wěn)流電流及穩(wěn)壓電壓，從而支持終端產品的具體應用要求。另值一提的是，雖然這種電源是設計旨在提供緊密穩(wěn)流的固定電流，但也可以工作在恒定電壓模式，因為其電流和電壓根據(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照明拓撲結構興趣日濃，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。要達到這樣高的能效，需要采用新的拓撲結構，如從反激拓撲結構轉向諧振半橋拓撲結構，從而充分發(fā)揮零電壓開關(ZVS)的優(yōu)勢。有利的是，安森美半導體早已著手開發(fā)能用于LED驅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內置高端和低端驅動器，支持可調節(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(見圖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，設計人員還可以根據(jù)設計需求選擇安森美半導體的其它LED電源方案，如NCP1607 PFC控制器+NCP1377準諧振控制器，或NCP1607+NCP1392/3等。

 

增強LED串可靠性的保護方案

 

如前所述，區(qū)域照明應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就可能關閉，而街道照明等應用中就要避免這種狀況，從而降低后期維護成本。有鑒于此，安森美半導體推出了NUD4700 LED電流旁路保護器(見圖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不會關閉；而且恰當處理散熱的話，還可支持大于1 A的大電流。

 

  

構建聯(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用雙向通信，構建完全聯(lián)網(wǎng)的智能街道照明系統(tǒng)。這樣，政府機構、電力公司或商業(yè)團體能夠遠程調節(jié)LED街燈的光輸出，并因此降低街道照明網(wǎng)絡的總能耗，并降低費用支出。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節(jié)LED的光輸出，從而幫助節(jié)能。

 

有利的是，設計人員采用安森美半導體的AMIS-49587電力線載波(PLC)調制解調器、PLC線路驅動器NCS5650和諸如NOA1302這樣的環(huán)境光傳感器，基于電力線輕易地構建聯(lián)網(wǎng)型LED街燈智能控制系統(tǒng)(參見圖4)。其中，安森美半導體的環(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：

 

安森美半導體身為應用于綠色電子產品的首要高性能、高能效硅方案供應商，為LED區(qū)域照明應用提供完全的解決方案，如基于NCL30001的電流可調節(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動電源方案，基于NUD4700的LED串保護方案，基于AMIS-49587、NCS5650和NOA1302的聯(lián)網(wǎng)型LED街燈控制方案，以及相關的MOSFET、整流器、濾波器和熱保護產品等，為用戶提供豐富的選擇，幫助他們縮短設計周期，加快產品上市進程。

 

供稿：安森美半導體

 

參考資料：

[1]. 《可調節(jié)0.7至1.5 A恒流、高達55 Vdc電壓的單段功率因數(shù)校正PFC電源》，安森美半導體應用筆記AND8427，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8427-D.PDF

[2]. 安森美半導體LED照明方案選型手冊，安森美半導體，www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8034-D.PDF

[3].《LED通用照明應用》培訓教程，安森美半導體，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/LED%20-%20High%20Brightness%20LED%20Driver%20Solutions%20for%20General%20Lighting%20-%20bilingual.rev2pdf.pdf