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域照明應用。另一方面，高亮度白光發光二極管(LED)在性能和成本等方面持續改進，非常適合區域照明應用，并且提供一些HID所不具備的優勢，如方向性更好、色彩質量更佳、環保，并且其開啟和關閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環境光從而改變亮度；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，要構建聯網的智能化LED街燈控制系統，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街燈及區域照明驅動電源選擇

 

區域照明應用的功率一般高于40 W。根據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的電流可調節恒流功率因數校正區域照明LED電源

 

有些區域照明應用場合要求提供帶輸入功率因數校正的隔離型穩壓輸出電壓。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校正(PFC)將交流輸入線路電壓轉換及預穩壓為直流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的兩段式轉換架構，使其成為一種集成功率因數校正和主轉換器(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區域照明。

 

NCL30001就是一種單段式控制器，集成了功率因數校正和隔離型降壓DC-DC轉換電路，幫助減少元件數量、降低系統成本，支持更高的LED電源總體能效。NCL30001提供穩流恒流來直接驅動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，就可以調節穩流電流及穩壓電壓，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NCS1002中集成的緊密穩壓的2.5 V參考電壓來穩流和穩壓。

 

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，從而充分發揮零電壓開關(ZVS)的優勢。有利的是，安森美半導體早已著手開發能用于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。

 

  

構建聯網的LED街燈智能控制系統

 

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，構建完全聯網的智能街道照明系統。這樣，政府機構、電力公司或商業團體能夠遠程調節LED街燈的光輸出，并因此降低街道照明網絡的總能耗，并降低費用支出。另外，也可以在系統中集成環境光傳感器，根據環境光的亮度來自動調節LED的光輸出，從而幫助節能。

 

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這樣的環境光傳感器，基于電力線輕易地構建聯網型LED街燈智能控制系統(參見圖4)。其中，安森美半導體的環境光傳感器包含的輸出類型，如NOA1302和NOA1305提供的是數字輸出，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，因而對系統能效的影響極小。

圖4：基于AMIS-49587等器件的聯網型LED街燈智能控制系統。

 

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區域照明應用提供完全的解決方案，如基于NCL30001的電流可調節恒流功率因數校正方案和基于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的聯網型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0.7至1.5 A恒流、高達55 Vdc電壓的單段功率因數校正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