安森美LED区域照明应用设计

随着人们节能环保意识的日渐增强，业界越来越关注能源消耗对环境的影响。在各种能源消耗途径中，据统计，有高达20%至22%的电能用于照明。提高照明应用的能源使用效率乃至进一步降低其能源消耗，有助于减少二氧化碳排放，造就更加绿色环保的世界。因此，高能效照明正在成为业界竞逐的一个焦点。

　　从应用领域来看，照明涵盖住宅照明、工业照明、街道照明和餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看，除了低功率照明，也包括大功率区域照明，典型应用如柱灯、洗墙灯、外墙灯、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明，以及低顶灯、高顶灯、冻柜/冰箱及停车库等室内照明。

　　大功率区域照明存在不少挑战，如灯具可能难以接近、光源发生故障时可能带来安全问题、户外存在多种极端环境条件等。此外，不容忽视的是，应用于大功率区域照明的现有光源（如金属卤素灯、高压钠灯、线性荧光灯及紧凑型荧光灯）存在着不少局限，如高压钠灯的显色性差（CRI约为22），金属卤素灯的典型灯具损耗较高（40%）且其从启动到发光至完整亮度经历的时间可能长达10分钟，线性荧光灯的冷温度性能差，紧凑型荧光灯的启动速度也较慢。

　　另一方面，随着高亮度白光发光二极管（LED）在性能和成本等方面持续改进，越来越多地用于大功率区域照明，并提供传统光源不具备的优势，如发出每流明光所消耗的电能更少、方向控制性更好、色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低维护成本及总体拥有成本。

　　一、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，并要保护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。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。

图1 智能双亮度等级LED街道照明示例

　　LED照明的控制也可以变得更加智能化。传统街灯以定时器或环境光传感器来自主控制。而利用电力线通信（PLC）或无线控制技术，可以提供高度灵活的LED区域照明控制，如基于时间的光输出等级集中控制、基于车流量传感器的发光等级控制，以及根据检测人、车活动来调控市中心照明，兼顾步行车及街道照明。LED智能控制技术在节省电能之余，还不会损及安全性。典型应用有如智能双亮度等级照明，如公园、加油站顶棚、停车场所、楼梯及电冰箱箱体照明都支持根据需要来调整亮度等级的照明。LED能够即时导通及关闭，能够在这些应用中方便地根据动作或活动来调节照明等级，如在未检测到活动时提供20%-40%的亮度等级，而在检测到活动时提供100%亮度的照明。这样就利于大量节省额外的电能消耗。

　　二、LED区域照明电源架构及典型LED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

　　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。这种架构下，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。

图2 典型的模块化LED区域照明电源架构示意图

在这种模块化途径下，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3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3 CAT4201高压LED驱动器配置