配合一般照明趨勢的安森美半導體高能效、更智慧LED驅動器方案

配合一般照明趨勢的安森美半導體高能效、更智慧LED驅動器方案
照明用電是全球能耗的一項重要來源。在各種照明燈具中，歷史悠久但能效較低的白熾燈的應用仍然非常廣泛，如果限制低能效光源的使用、同時大力地推廣及應用更高能效及環保的光源，將利於節能。因此，世界上多個國家制定政策，分階段淘汰白熾燈泡。如中國計畫於2015年60W 以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。螢光燈及緊湊型螢光燈(CFL)的能效比白熾燈高，在市場上已經應用多年。但螢光燈含劇毒物質汞，所引發的環保顧慮越來越多。
相比較而言，LED在發光效率等各方面的性能不斷提升，還兼具環保及長壽特性，越來越受重視。實際上，LED筒燈和改裝燈泡已經擁有比白熾燈、鹵素燈或CFL等現在照明技術更高的能效。而在成本方面，研究發現，與2010年相比，LED的價格已經加速下降(每年下降13%至24%)，預計未來幾年仍會持續下降，將幫助降低LED燈泡及燈具的成本。因此，世界各國紛紛看好及推動LED照明產業的發展。
LED一般照明應用及發展前景
LED除了廣泛應用行動裝置、中大尺寸液晶顯示器(LCD)背光及LED標牌等領域外，如今也在越來越多地用於LED汽車內部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車燈、儀錶板背光、車頂燈、閱讀燈和氛圍燈等，以及住宅照明和建築物裝飾照明等LED一般照明。
LED一般照明應用覆蓋寬廣功率範圍，低至3 W到15 W的LED住宅照明，中等功率有如15 W至75 W的商業及建築物裝飾性照明，高至75 W到250 W的戶外及基礎設施照明，典型照明產品有如MR16/GU10燈、E27/A19燈泡、鎮流器、筒燈、T8燈管、街燈等。
圖1：典型LED一般照明應用。
LED一般照明應用極具發展前景。各種LED一般照明燈具中，近期來看，LED燈泡(如A19 LED燈泡)的發展聲勢驚人。據統計，2012年全球LED燈泡出貨量達7.35億支，2013年預計將增長到12.25億支；預計到2014年將迎來LED燈泡市場的引爆點，屆時LED燈泡價格將會降至10美元以下，出貨量預計較2013年增長約85%，達22.70億支；而到2015年出貨量將進一步增長至39億支。
高能效驅動器是LED一般照明的重點
要將LED照明的節能功能發揮至最高，就需要高能效的LED驅動器。我們以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅動電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要元件，見圖2的左半部分。就驅動電路而言，高能效LED驅動器IC無疑是其中的重點。圖2的右半部分顯示了典型的LED燈泡驅動電路，其中使用的是典型的獨立式LED驅動器。
   
圖2：a)典型LED燈泡剖視圖(左圖)；b)典型LED燈泡驅動電路(右圖)
要發揮LED一般照明的高能效優勢，LED驅動器存在多重挑戰。首先就是能效至關重要。以LED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，採用高能效LED驅動器則可幫助將更多電能轉化為光能，幫助散熱。其次，LED燈泡空間有限，需要更大的散熱片面積，較大功率的燈泡尤為如此。此外，LED正在迅速變化，提供多種選擇，這對LED驅動器的選擇也構成了挑戰。由於LED燈泡空間有限，故須減小驅動電子電路的尺寸以使剩餘空間增多，配合散熱。LED一般照明涵蓋不同功率等級，故須最佳化LED驅動器選擇，以配合不同照明及功率要求。出於安規、LED選擇等因素，設計人員還須考慮是採用隔離還是非隔離拓撲結構，由此也影響LED驅動器的選擇。
安森美半導體配合LED一般照明的驅動器方案
安森美半導體積極推動高能效創新，包括LED照明在內的高能效電子創新，涉及LED照明的眾多細分市場，如前文提到的行動裝置、LCD背光、LED標牌、汽車及一般照明等。其中，LED一般照明如今是安森美半導體在照明市場的重點。在LED一般照明市場，安森美半導體的策略是充分利用公司寬廣陣容的類比電源IC、離散元件及進階微封裝，提供與別不同的高能效LED驅動器方案。
安森美半導體提供覆蓋涵蓋寬廣功率範圍及不同拓撲結構的LED驅動器方案。安森美半導體能用於低功率LED一般照明應用的驅動器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是單級式功率因數校正(PFC)、支援TRIAC調光的LED驅動器，採用次級端控制器，支援返馳式/降壓/降壓-升壓等拓撲結構。NCL30002也是單級式功率因數校正LED驅動器，支援降壓拓撲結構，提供±3%的電流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083等元件，是新推出的高能效准諧振控制器，用於低功率LED照明應用。
值得一提的是，NCL3008x系列採用初級端穩流(Primary Side Regulation)技術(也稱初級端控制或原邊控制)此種新穎的控制方法，省去次級端控制電路及光耦，能夠精確地從初級端對LED電流進行穩流，幫助簡化PCB佈線、節省電路板空間、提升能效，並簡化安全分析(見圖3左)。此外，它還具有高穩流精度、支援寬正向壓降(Vf)範圍、低電磁干擾(EMI)及整合強固保護特性等眾多優勢。此系列元件提供0.8至0.9的功率因數，符合美國「能源之星」對功率大於5 W的LED燈泡在功率因數方面的要求(PF>0.7)。
   
圖3：a) NCL3008x新穎的初級端控制技術(左)； b)基於NCL3008x的A19燈泡參考設計(右)
安森美半導體還開發了基於NCL30082的緊湊型A19 LED燈泡的參考設計(見圖2右側)。此參考設計最佳化用於隔離返馳式或非隔離降壓-升壓拓撲結構，最佳化用於10 W LED照明應用。它採用谷底填充PFC來滿足「能源之星」功率因數高於0.7的要求。PCB及元件的尺寸目標是22 x 60 mm柱體。測試顯示，此參考設計提供高能效、高功率因數及高穩流精度。
而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半導體同樣提供豐富的產品組合，滿足客戶不同應用需求。其中既包含單級式及組合控制器，也包含傳統的兩級式(PFC級 + DC-DC級)控制器，覆蓋從15 W至400 W的寬廣功率範圍，如圖4所示。
圖4：安森美半導體應用於中大功率LED一般照明的驅動器
從圖4中可以看出，在中等功率LED一般照明應用中，可以採用NCL30000及NCL30001這樣的單級式功率因數校正LED控制器；而在功率更大的應用中，可以採用NCL30051和NCP1910這樣的高能效組合控制器。以NCL30051為例，這是一款功率因數校正(PFC)及諧振半橋組合控制器，最佳化用於離線LED照明應用，能夠為降壓DC-DC轉換器/LED驅動器提供恆定電壓。此元件整合了一個臨界導電模式(CrM) PFC控制器及一個半橋諧振控制器，並內置600 V驅動器，針對離線電源應用進行了最佳化，具備了所有實現高能效、小外形因數設計所需的特性。
除了上述單級式方案，設計人員還可以根據應用需求選擇傳統的兩級式(PFC級 + DC-DC轉換級)方案。具體而言，PFC級可選用的控制器包括NCP1653、NCP1631、NCP1611/NCP1612及NCP1608等。其中，NCP1611/2是增強型高能效PFC控制器，基於創新的電流控制頻率返走(CCFF)架構，在PFC電感電流超過設定值時，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低於預設值時，將開關頻率線性降低至約20 kHz，此時電流為零。CCFF架構同時將額定負載工作能效和輕載能效提升至最高，特別是將待機損耗降至最低等典型應用包括可用於平板電視、一體成型式電腦和大功率電源適配器，以及LED照明電源及驅動器、可調光螢光燈鎮流器等。
在DC-DC級，可以選用的元件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了這些元件，安森美半導體還在開發更多的新產器，滿足客戶的更寬廣應用需求。
智慧LED照明的優勢及發展預測
正在興起的LED智慧照明是LED一般照明市場的另一個重點，也是重要發展方向。所謂「智慧照明」，往往結合了智慧可調光LED驅動器、無線接收器、紅外線接收器、環境光感測器及被動紅外線佔用情況感測器等。
圖5：智慧LED照明整合了多種新功能。
LED智慧照明將使LED更易於控制及調光。LED智慧照明電子電路中將增強多種新功能，如結合佔用情況感測器或環境光感測器來配合調光控制及省電等。例如，內置佔用情況感測器可用於檢測及確定照明區域是否有人，一般用於房間入口或出口，能夠進行安全地照明控制及省電。此類感測器大多數使用的是被動紅外線(Ir)感測器，其它的感測器選擇包括超音波及運動感測器等。
此外，電子電路中採用矽光電感測器，可用於不同應用，如測量環境光以採集日光，以及用於感測燈具光輸出來進行LED照明控制等。典型的環境光感測器有如安森美半導體帶線性輸出的NOA1211/2及帶雙輸出的NOA1305等。環境光感測器配合戶外(黃昏/黎明)及室內(日光採集)調光，因而節能。透過閉環控制LED光源，可以調節不同溫度及時間條件下的特定光輸出。此外， 帶LED輸出光回饋的恆定光輸出調節能節省及延長驅動器使用壽命。
圖6：安森美半導體NOA1211/2及NOA1305環境光感測器能夠配合LED智慧照明應用。
智慧照明也將更靈活，可以使用低能耗的無線介面，如IrDA紅外、Zigbee及低能耗藍牙(Bluetooth LE)，無須改變開關或線纜。但這要求無線控制標準就位，如Zigbee Light Link™等。
LED驅動器IC要配合LED「智慧」照明，其設計必須能夠輕易地配合類比及數位(即PWM)調光。例如，安森美半導體的NCL30082 LED控制器配合智慧調光介面，能以單個控制接腳進行類比調光、數位調光，或是同時進行類比與數位調光，提供0至100%的寬調光範圍。此元件易於連接類比感測器或微控制器(MCU)一般輸入/輸出埠(GPIO)，增強了設計靈活性。
在這些技術的配合下，智慧LED燈泡及LED模組即將出現。通過結合標準化的無線控制技術、乙太網及網際網路，人們有望使用智慧手機遠端控制LED燈泡。新的方案還能解決熱管理、光學及模組化/替代問題。預計商業/工業細分市場將帶領智慧照明方案的採用。
小結
在環保潮流及各種政策法規的推動下，LED照明正在迅速發展。要充分利用LED一般照明的高能效優勢，使用高能效的LED驅動器必不可少。本文介紹了一般照明LED驅動器面臨的挑戰，以及安森美半導體克服這些挑戰、應用於不同LED一般照明應用的LED驅動器方案。安森美半導體提供陣容廣博、相輔相成的方案，包括配合智慧調光的LED驅動器及相關感測器等，幫助推動及迎接LED智慧照明時代的來臨。