中心議題：
- LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
- LED照明驅(qū)動(dòng)方案選型
解決方案：
- LED通用照明方案選型
- 便攜設(shè)備及液晶電視LED 背光方案選型
- 汽車照明LED驅(qū)動(dòng)方案選型
近年來，隨著LED在光效及成本等幾乎各個(gè)方面的持續(xù)改進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統(tǒng)的便攜設(shè)備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。不同的應(yīng)用對(duì)LED的要求不同，故需針對(duì)不同的應(yīng)用選擇合適的LED驅(qū)動(dòng)器。安森美半導(dǎo)體提供豐富的LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，可滿足各種LED 照明應(yīng)用需求。本文將結(jié)合LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)介紹安森美半導(dǎo)體在各個(gè)照明細(xì)分市場(chǎng)的應(yīng)用方案，幫助照明設(shè)計(jì)工程師選擇合適的方案。
LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)Bernie Weir先生為工程師們傳授LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容涉及LED驅(qū)動(dòng)器的通用要求、電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設(shè)計(jì)入門及提高，從而更好地服務(wù)于LED照明市場(chǎng)。
LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
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通用照明方案
安森美半導(dǎo)體有適用于不同功率AC-DC 供電的LED 通用照明方案，覆蓋寬廣的功率范圍。
1)1 W 至8 W 方案
1 W 至8 W 的低功率LED 通用照明應(yīng)用包括G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應(yīng)用的輸入電壓范圍在交流90 至264 V 之間，恒流輸出電流包括350 mA 和700 mA 兩種，能效要求為80%，還要求提供短路和過壓保護(hù)等特性。這類應(yīng)用可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015 自供電單片開關(guān)控制IC。該器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V 的高壓MOSFET，具備構(gòu)建強(qiáng)固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)及動(dòng)態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。
NCP1015 既可用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，見圖1。
圖1 基于NCP1015 的1 W 至8 W 隔離型(a)及非隔離型(b)LED 照明方案
值得一提的是， “能源之星”新版固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要特點(diǎn)是要求多種住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)最低達(dá)到0.7。這類LED 照明應(yīng)用的功率一般在1 W至12 W，最適宜采用隔離型反激電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)的功率因數(shù)通常不到0.6。要改善功率因數(shù)，輕松符合“能源之星”要求，可結(jié)合優(yōu)化的NCP1014LEDGTGEVB 評(píng)估板，采用安森美半導(dǎo)體的離線型8 W LED 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)。
安森美半導(dǎo)體的NCP1014LEDGTGEVB 評(píng)估板可驅(qū)動(dòng)1 至8 顆大功率高亮度LED。該設(shè)計(jì)基于集成了帶內(nèi)部限流功能的高壓電源開關(guān)的緊湊型固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器NCP1014 構(gòu)建。由于NCP1014 采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個(gè)特定點(diǎn)；導(dǎo)通時(shí)間的限制使輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。評(píng)估板電路圖見圖2。
圖2 NCP1014LEDGTGEVB 電路圖[page]
2)8 W 至25 W 方案(無PFC 及有PFC)
在8 W 至25 W AC-DC LED 照明應(yīng)用中，一種方案不要求功率因數(shù)校正(PFC)，另一種需要符合“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)PFC 要求。該標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，商業(yè)應(yīng)用須大于0.9。
不需要 PFC 的8 W 至25 W AC-DC LED 照明的典型應(yīng)用如PAR30、PAR38和嵌燈。這類應(yīng)用的輸入電壓要求為85 至135 Vac 或185 至264Vac，能效要求大于80%，提供短路保護(hù)及開路保護(hù)等特性，恒流輸出電流為350 mA、700mA 及1 A 等。為此，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028 或NCP1351。NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開關(guān)控制IC，提供800 mA 峰值電流，還提供過功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性，適合在通用寬電源輸入應(yīng)用中提供幾瓦至15 W 的輸出功率。
圖3 基于NCP1028和NCP1351的8-15/25W AC-DC LED照明方案（無PFC）
要求 PFC 的8 W 至25 W AC-DC LED 照明的典型應(yīng)用同上，輸入電壓規(guī)格為90 至264 Vac，其他指標(biāo)與不需要PFC 的應(yīng)用相同，而功率因數(shù)要求高于0.9。這類應(yīng)用適合采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000 單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無需專用PFC 升壓段，減少了元器件數(shù)量，降低了系統(tǒng)總成本。NCL30000 滿足IEC C 類諧波含量要求，可直接驅(qū)動(dòng)LED，具備精確恒流輸出控制，在5 W 至15 W 較低輸出功率時(shí)能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC 等現(xiàn)有調(diào)光方案。
圖4 基于NCL30000的8-25W AC-DC LED照明方案（有PFC）
3)50 W 至200 W 方案
功率高于50 W 的AC-DC LED 應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明。其輸入電壓規(guī)格為90 至264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護(hù)，恒流輸出為350 mA、700 mA 和1 A。此類應(yīng)用可以采用單段式PFC LED 驅(qū)動(dòng)器NCL30001 、CrM PFC+ QR PWM 驅(qū)動(dòng)器NCP1607+NCP1377，以及CrM PFC+ LLC PWM 驅(qū)動(dòng)器NCP1607+NCP1397或NCP1392/3，以滿足不同需求。
圖5 基于NCL30001的40-150W AC-DC LED照明方案[page]
便攜設(shè)備及液晶電視LED 背光方案
隨著LED性能及成本的改善，現(xiàn)在LED被廣泛應(yīng)用在便攜設(shè)備和大尺寸LCD背光中。便攜應(yīng)用要求延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，減小占板面積和高度。安森美半導(dǎo)體的多種低壓便攜產(chǎn)品背光應(yīng)用LED 驅(qū)動(dòng)器方案可用于線性、電感型及電荷泵型等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，電感型方案總能效最佳，電荷泵型方案的占板面積和高度最小，線性驅(qū)動(dòng)器則適合簡(jiǎn)單背光應(yīng)用。
安森美半導(dǎo)體的CAT3200、NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、NCP5603 等支持電荷泵方案的不同調(diào)光型產(chǎn)品，如單模、雙模、三模或四模方案等。以NCP5623為例，這是一款高能效LED 驅(qū)動(dòng)器，帶有I2C 接口，內(nèi)置漸進(jìn)調(diào)光功能，特別適用于驅(qū)動(dòng)手機(jī)等便攜產(chǎn)品的RGB LED 裝飾光和增強(qiáng)型LCD 背光。它可實(shí)現(xiàn)94%峰值能效和低于1 微安的待機(jī)電流，將便攜設(shè)備電池工作時(shí)間延至最長(zhǎng)。該器件封裝極小，僅需4 個(gè)無源元件，并具備短路和過壓保護(hù)功能。
采用NCP1397 和CAT4026的46 英寸液晶電視背光方案由LED 背光轉(zhuǎn)換器(NCP1397 等器件)和LED 控制器(CAT4026 等器件)組成。安森美半導(dǎo)體的NCP1397 初級(jí)端控制器配合帶正向電壓監(jiān)測(cè)功能的6 通道線性LED 驅(qū)動(dòng)器CAT4026 等器件，支持低高度LED 背光液晶電視設(shè)計(jì)，使電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以很好地處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護(hù)等問題，使電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)迎刃而解。
CAT4026 是應(yīng)用于大尺寸側(cè)光式LED 背光液晶電視的多通道線性LED 驅(qū)動(dòng)器的高性價(jià)比方案，可以單顆IC 支持6 通道，且易于分級(jí)為多達(dá)12 個(gè)或18個(gè)通道(相應(yīng)采用2 個(gè)或3 個(gè)控制器)，目標(biāo)能效高于90%，典型能效達(dá)94%。此外，該驅(qū)動(dòng)器還提供正向電壓監(jiān)測(cè)功能，可以限制總體功耗；還能為L(zhǎng)ED 開路及過多LED 短路等不同LED 串故障提供保護(hù)。
圖6 基于CAT4026的液晶電視LED背光方案
汽車照明LED 驅(qū)動(dòng)方案
LED在汽車照明中的應(yīng)用多種多樣，不同應(yīng)用對(duì)LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求，選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案。
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安森美半導(dǎo)體針對(duì)LED汽車前照燈系統(tǒng)開發(fā)了NCV78663電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動(dòng)器。NCV78663是先進(jìn)的高可靠性、高能效的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC) LED驅(qū)動(dòng)器，支持達(dá)2 A電流，提供高于90%的總能效，驅(qū)動(dòng)高達(dá)60 V電壓的多串LED，能以PWM調(diào)光維持色溫及控制平均電流，使設(shè)計(jì)人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠(yuǎn)光燈及近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向指示燈及霧燈，所需外部元件極少。這器件通過SPI接口與外部微控制器通信，在上電后動(dòng)態(tài)地控制系統(tǒng)參數(shù)、檢測(cè)LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖4顯示的是NCV78663在先進(jìn)的汽車前照燈應(yīng)用中的電路圖。
圖7 基于NCV78663的汽車LED前照燈應(yīng)用電路圖
此外，安森美半導(dǎo)體針對(duì)尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器主要有NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動(dòng)器。這兩款器件的設(shè)計(jì)均用于在交流-直流應(yīng)用中替代分立方案，設(shè)計(jì)人員能夠利用外部電阻針對(duì)不同LED陣列設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應(yīng)用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖5是用NUD4001 器件驅(qū)動(dòng)一個(gè)200mA 的LED 的車廂頂燈電路。
圖 8：用NUD4001 器件驅(qū)動(dòng)一個(gè)200mA 的LED 的車廂頂燈電路
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體運(yùn)用其在低壓、高壓技術(shù)及電源管理方面的專長(zhǎng)，為各種應(yīng)用提供全面的LED 驅(qū)動(dòng)解決方案。這里介紹的只是安森美半導(dǎo)體眾多方案的極小部分。除了通用方案，安森美半導(dǎo)體還開發(fā)專用的LED 驅(qū)動(dòng)器，以滿足不斷演變的便攜、消費(fèi)、工業(yè)及汽車市場(chǎng)的特定需求。
