安森美LED驱动经典方案：如何将节能功能发挥至最高？

　　照明用电是全球能耗的一项重要来源。据推算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。在各种照明灯具中，历史悠久但能效较低的白炽灯的应用仍然非常广泛，如果限制低能效光源的使用、同时大力地推广及应用更高能效及环保的光源，将利于节能。

　　因此，包括中国在内，世界上多个国家制定政策，分阶段淘汰白炽灯泡。如中国计划于2015年60W以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。荧光灯及紧凑型荧光灯（CFL）的能效比白炽灯高，在市场上已经应用多年。但荧光灯含剧毒物质汞，所引发的环保顾虑越来越多。

　　相比较而言，LED在发光效率等各方面的性能不断提升，还兼具环保及长寿命特性，越来越受重视。实际上，LED筒灯和改装灯泡已经拥有比白炽灯、卤素灯或CFL等现在照明技术更高的能效。而在成本方面，研究发现，与2010年相比，LED的价格已经加速下降（每年下降13%至24%），预计未来几年仍会持续下降，将帮助降低LED灯泡及灯具的成本。

　　因此，世界各国纷纷看好及推动LED照明产业的发展。例如，中国国家发改委发布《半导体照明节能产业规划》，规划到2015年LED功能性照明产品市场占有率达20%以上，LED照明节能产业产值年增长30%左右，2015年产值达4，500亿元（折合720亿美元）。

　　LED通用照明应用及发展前景

　　LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏（LCD）背光及LED标牌等领域外，如今也在越来越多地用于LED汽车内部/外部照明，如前照灯、雾灯、尾灯、停车灯、仪表盘背光、车顶灯、阅读灯和氛围灯等，以及住宅照明和建筑物装饰照明等LED通用照明。

　　LED通用照明应用覆盖宽广功率范围，低至3W到15W的LED住宅照明，中等功率有如15W至 75W的商业及建筑物装饰性照明，高至75W到250W的户外及基础设施照明，典型照明产品有如MR16/GU10灯、E27/A19灯泡、镇流器、筒灯、T8灯管、街灯等。

　　

　　图1：典型LED通用照明应用

　　LED通用照明应用极具发展前景。各种LED通用照明灯具中，近期来看，LED灯泡（如A19 LED灯泡）的发展势头惊人。据统计，2012年全球LED灯泡出货量达7.35亿只，2013年预计将增长到12.25亿只；预计到2014年将迎来 LED灯泡市场的引爆点，届时LED灯泡价格将会降至10美元以下，出货量预计较2013年增长约85%，达22.70亿只；而到2015年出货量将进一步增长至39亿只。

　　高能效驱动器是LED通用照明的重点

　　要将LED照明的节能功能发挥至最高，就需要高能效的LED驱动器。我们以LED灯泡为例，典型的 LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件，见图2的左半部分。就驱动电路而言，高能效LED驱动器IC无疑是其中的重点。图2的右半部分显示了典型的LED灯泡驱动电路，其中使用的是典型的独立式LED驱动器。

　　

　　图2：（a）典型LED灯泡剖视图（左图）；（b）典型LED灯泡驱动电路（右图）

　　要发挥LED通用照明的高能效优势，LED驱动器存在多重挑战。首先就是能效至关重要。以LED灯泡为例，其形状固定，散热受限，采用高能效LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。其次，LED灯泡空间有限，需要更大的散热片面积，较大功率的灯泡尤为如此。此外，LED正在迅速变化，提供多种选择，这对LED驱动器的选择也构成了挑战。由于LED灯泡空间有限，故须减小驱动电子电路的尺寸以使剩余空间增多，配合散热。LED通用照明涵盖不同功率等级，故须优化LED驱动器选择，以配合不同照明及功率要求。出于安规、LED选择等因素，设计人员还须考虑是采用隔离还是非隔离拓扑结构，由此也影响到LED驱动器的选择。

　　安森美半导体配合LED通用照明的驱动器方案

　　安森美半导体积极推动高能效创新，包括LED照明在内的高能效电子创新，涉及LED照明的众多细分市场，如前文提到的移动设备、LCD背光、LED标牌、汽车及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半导体在照明市场的重点。在LED通用照明市场，安森美半导体的策略是充分利用公司宽广阵容的模拟电源IC、分立器件及先进微封装，提供与众不同的高能效LED驱动器方案。

　　安森美半导体提供覆盖涵盖宽广功率范围及不同拓扑结构的LED驱动器方案。安森美半导体能用于低功率LED通用照明应用的驱动器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是单段式功率因数校正（PFC）、支持TRIAC调光的LED驱动器，采用次级端控制器，支持反激/降压/降压-升压等拓扑结构。NCL30002也是单段式功率因数校正 LED驱动器，支持降压拓扑结构，提供±3%的电流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和 NCL30083等器件，是新推出的高能效准谐振控制器，用于低功率LED照明应用。

　　值得一提的是，NCL3008x系列采用初级端稳流（Primary Side Regulation）技术（也称初级端控制或原边控制）这种新颖的控制方法，省去次级端控制电路及光耦，能够精确地从初级端对LED电流进行恒流稳流，帮助简化PCB布线、节省电路板空间、提升能效，并简化安全分析（见图3左）。此外，它还具有高稳流精度、支持宽正向压降（Vf）范围、低电磁干扰（EMI）及集成强固保护特性等众多优势。这系列器件提供0.8至0.9的功率因数，符合美国“能源之星”对功率大于5W的LED灯泡在功率因数方面的要求（PF》0.7）。

　　

　　图3：（a） NCL3008x新颖的初级端控制技术（左）；（b） 基于NCL3008x的A19灯泡参考设计（右）

　　安森美半导体还开发了基于NCL30082的紧凑型A19 LED灯泡的参考设计（见图2右侧）。这参考设计优化用于隔离反激或非隔离降压-升压拓扑结构，优化用于10W LED照明应用。它采用谷底填充PFC来满足“能源之星”功率因数高于0.7的要求。PCB及元件的尺寸目标是22x60mm柱体。测试显示，此参考设计提供高能效、高功率因数及高稳流精度。

　　而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半导体同样提供丰富的产品组合，满足客户不同应用需求。其中既包含单段式及组合控制器，也包含传统的两段式（PFC段+DC-DC段）控制器，覆盖从15W至400W的宽广功率范围，如图4所示。

　　

　　图4：安森美半导体应用于中大功率LED通用照明的驱动器

　　从图4中可以看出，在中等功率LED通用照明应用中，可以采用NCL30000及NCL30001 这样的单段式功率因数校正LED控制器；而在功率更大的应用中，可以采用NCL30051和NCP1910这样的高能效组合控制器。以NCL30051为例，这是一款功率因数校正（PFC）及谐振半桥组合控制器，优化用于离线LED照明应用，能够为降压DC-DC转换器/LED驱动器提供恒定电压。这器件集成了一个临界导电模式（CrM） PFC控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600V驱动器，针对离线电源应用进行了优化，具备了所有实现高能效、小外形因数设计所需的特性。

　　除了上述单段式方案，设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式（PFC段+DC-DC转换段）方案。具体而言，PFC段可选用的控制器包括NCP1653、NCP1631、NCP1611/NCP1612及NCP1608等。其中，NCP1611 /2是增强型高能效PFC控制器，基于创新的电流控制频率反走（CCFF）架构，在PFC电感电流超过设定值时，电路通常工作在临界导电模式（CrM），而当电流低于预设值时，将开关频率线性降低至约20kHz，此时电流为零。CCFF架构同时将额定负载工作能效和轻载能效提升至最高，特别是将待机损耗降至最低等典型应用包括可用于平板电视、一体式计算机和大功率电源适配器，以及LED照明电源及驱动器、可调光荧光灯镇流器等。

　　在DC-DC段，可以选用的器件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了这些器件，安森美半导体还在开发更多的新产器，满足客户的更宽应用需求。