LED照明全方位渗透,高能效驱动方案点亮前景

2009年11月17日 08:11    嵌入式公社
关键词: LED , 方案 , 高能效 , 前景 , 全方位
安森美半导体供稿

在当今电能需求与生产日趋失衡的条件下,最有效的因应途径就是提升能效,即利用技术,以更少的电能来执行相同的任务或功能。电能使用涉及众多的领域,以常见的建筑物为例,据有关资料统计,美国建筑物总能耗中约有30%的能耗源自照明领域,而中国的估计也达到约11%至12%。由此看来,照明域的节能潜力巨大。

安森美半导体LED通用照明及电源营销和系统工程总监Laurent Jenck(郑乐康)指出,以一款典型的100 W白炽灯为例,其中约有95 W的电能转化为热量,剩余的仅5 W电能转化为光。因此,世界上许多国家都开始逐步淘汰一般的白炽灯,鼓励使用节能灯。与白炽灯相比,紧凑型荧光灯(CFL)和线性荧光灯(LFL)等节能灯的能耗大幅下降(仅相当于白炽灯的约1/5),但这些传统节能灯中包含剧毒化学物质汞,对环境有不良影响。另一方面,高亮度发光二极管(HB-LED)近年来在光输出、能效(efficacy)及成本等方面全面改善,同时结合小巧、低压工作及环保等众多优势,正在照明领域掀起革命。

LED照明进侵各领域,应用将更普及

如今,在屏幕尺寸小于4英寸的手机、相机闪光等移动设备应用中,及路边及体育场中大型显示屏应用中,LED照明,或称固态照明(SSL),几乎占据了100%的份额。除此之外,LED照明也向其它领域迈进。如在汽车应用中,LED照明占据约15%的份额。而在较大液晶显示屏(LCD)背光应用中,虽然冷阴极荧光灯(CCFL)如今仍然占据主导地位,但LED照明的总渗透率也达到约20%,参见图1。特别是在备受瞩目的大尺寸液晶电视背光应用中,据Laurent Jenck指出,预计LED背光的液晶电视在未来3到4年间,将占据至50%的份额。

F1. SSL Penertration.jpg

图1:LED照明在各种应用的渗透比例。

安森美半导体在电源管理及高能效方案具备专长及优势 ,故能发挥其在电源能效方面的领先实力,提供专用LED驱动器用于便携、消费、工业和汽车等市场,并且固态照明方案符合或超越世界各地的规范要求,即如GreenPoint®                参考设计电源般。

相比较而言,LED照明在灯泡、嵌灯、街道及区域照明、任务灯、景观照明、商业建筑物照明及广告牌文字电路照明等通用照明领域的渗透比例还偏低,目前小于2%,远低于其它照明类型。但LED照明具有高能效等优势,让其在通用照明市场也极具应用潜力。例如,安森美半导体对从零售商店购得的一款卤素台灯(采用35 W灯泡)进行重新设计,原卤素灯中无电子组件,仅含1个较重的60 Hz变压器。这卤素灯在120 Vac条件下的输入功率为41.7 W,在0.5米距离处测得的光亮度为744流明。重新设计的台灯采用LED模块,灯底部采用安森美半导体NCP1014自供电单片式开关稳压器,在120 Vac条件下输入功率为10.9 W,即能耗仅相当于卤素灯的1/4;同时,这LED台灯在同等距离条件下测得的光亮度为795流明,更优于卤素灯,其72.9流明/瓦(lm/W)的能效(efficacy)更是数倍于卤素灯(17.8 lm/W)。

当然,价格是LED照明在通用照明领域快速普及的一项制约因素。不过,安森美半导体的Laurent Jenck援引半导体的发展历史指出,当半导体技术刚刚问世,其成本非常高昂以至于应用局限在美国军方的对成本不敏感的应用中,如军事卫星;但随着应用范围的拓广及应用的增多,半导体产品最后进入消费市场,广泛应用于我们日常工作生活的各个角落。因此,随着应用的增多,LED照明的价格/成本将可逐步趋向消费应用。Laurent Jenck预计,LED通用照明可望在5年内开始进入主流家庭应用。

世界各地的规范机构也在积极制定和发布相关的LED照明能效规范。如美国“能源之星”的1.1版固态照明规范于2009年2月开始生效。这规范对聚光灯或户外灯等不同产品的应用能效要求各不相同,并且包含功率因数要求。就中国而言,负责能效标准设定的中国标准化研究院正牵头准备在来年研究中国的LED照明能效标准。

以宽范围、高能效及创新的驱动方案促进LED照明发展

由于LED照明应用前景广阔,要促进它的不断发展,必须针对不同的LED照明应用选择适合的驱动方案。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商,提供宽范围、高能效及创新和强固的LED照明方案。不论是电池供电应用,或是直接采用交流或直流线路供电的应用,安森美半导体均提供适合的高能效LED驱动器方案,如电感型及电荷泵型LED驱动器、开关稳压器、高集成度照明管理集成电路(LMIC)、线性恒流驱动器(CCR)、功率因数校正(PFC)集成电路、高压开关电源方案,以及丰富的MOSFET、整流器和其它分立产品及电路保护系列。

如在电池供电的移动设备背光应用中,可以采用不同的LED驱动技术,如线性电流驱动器、电感升压型开关稳压器、电荷泵型驱动器等。这几种驱动技术各有其特点及要求,所以能配合客户的需要为他们提供最适合其产品应用的LED驱动技术。如线性电流驱动器简单易用,无开关噪声,而且外部元件数量极少,但这种驱动器的正向电压必须低于电池电压,且能效与输入电压及LED正向电压有关。电感升压型开关稳压器的LED串电流匹配度极佳,且在电池线路电压范围内具有极高能效,支持长串LED大功率/高压工作。电荷泵型驱动器典型产品采用基于电容的开关拓扑结构,并集成线性驱动器用于紧密电流匹配,具有高开关频率,外部元件数量极少。

而在汽车应用中,根据电流大小的不同,同样需要采用不同的LED驱动器。例如,汽车中一个新的趋势,是在电流常常仅数十毫安(mA)的组合尾灯应用中以线性恒流稳压器来替代目前常用的是电阻型驱动器。电阻型驱动方案简单且成本低,但能效极低,还面临高压时大电流应力、LED编码及热失控等问题或挑战。有鉴于此,安森美半导体推出了创新的双端及三端型线性恒流稳压器(CCR),它们采用安森美半导体正待批专利的自偏置晶体管(SBT)技术,结合公司在工艺控制方面的专长,提供低成本优势,支持宽电压范围,提供比电阻型驱动器更高的能效及较高的稳流精度,并更利于保护LED。

其它应用,如建筑物照明中,同样可以采用安森美半导体的高能效LED驱动方案,如CAT4103、CAT4109三通道线性恒流驱动器是高亮度RGB LED驱动器,应用于新兴的高亮度、高视觉冲击力LED建筑物照明中的RGB LED像素控制。而CAT4106是多通道升压型LED驱动器,适合较大尺寸的通用LCD背光应用,能够驱动多达40个白光LED,提供总计达6 W的LED输出功率,并帮助设计人员提升背光能效至最高。此外,采用LED背光的大尺寸液晶电视日趋多,其中尤以侧光式LED背光为主,通常需要采用6个单串的LED光条(每串LED视为一个LED道)。现有6通道侧光式LED电视中每个LED通道均含有专用驱动器IC、电感型DC-DC升压转换器及及开关。而安森美半导体应用于大尺寸侧光式LED背光液晶电视的多通道线性LED驱动器CAT4026是一种高性价比方案,支持高数量的通道,能以单颗IC控制6个LED通道,能效目标范围高于90%,能效典型值量多达94%,且针对 LED开路和过多LED短路等故障条件提供保护。CAT4026的简略应用示意图参见图2。

F2  Multi-channel linear LED Edge-lighting using CAT4026.jpg

图2:基于安森美半导体CAT4026的大尺寸LED背光液晶电视多通道线性侧光方案。

而在通用照明应用方面,不同功率应用同样需要不同的LED驱动方案。如在低功率应用中,可以采用安森美半导体的NCL30000带功率因数校正的离线式LED驱动器,兼容TRIAC调光。这种驱动器直接驱动LED,并带紧密的恒流输出稳流;功率因数高于0.9,符合IEC C类谐波含量标准, 超出“能源之星”的规范;处于5至15 W的低输出功率电平时,能效高于80%,典型能效高于83%,非常适合这类通用照明应用。而在大功率的街道照明应用中,可以采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器加NCP1397谐振半桥控制器这样的整体式方案,能效达92%-93%,并降低电磁干扰。

总结

随着LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善,LED照明正从小尺寸移动设备背光、相机闪光、大型显示屏等专业细分应用进一步扩展开来,迈进汽车照明、较大LCD背光甚至通用照明市场,前景备受看好。瞄准这些应用的设计人员需要选择高性能、高能效的LED照明驱动方案。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商,提供丰富的高能效LED驱动器/稳压器选择,满足不同细分应用、电流要求及功率等级的需求,并提供经过测试的高能效GreenPoint®参考设计,帮助设计人员缩短设计周期,加快产品上市进程。
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