照明用電是全球能耗的一項重要來源。據(jù)推算，中國照明用電約占全社會用電量的12%左右。在各種照明燈具中，歷史悠久但能效較低的白熾燈的應(yīng)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(yīng)用更高能效及環(huán)保的光源，將利于節(jié)能。
因此，包括中國在內(nèi)，世界上多個國家制定政策，分階段淘汰白熾燈泡。如中國計劃于2015年60W 以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。熒光燈及緊湊型熒光燈(CFL)的能效比白熾燈高，在市場上已經(jīng)應(yīng)用多年。但熒光燈含劇毒物質(zhì)汞，所引發(fā)的環(huán)保顧慮越來越多。
相比較而言，LED在發(fā)光效率等各方面的性能不斷提升，還兼具環(huán)保及長壽命特性，越來越受重視。實際上，LED筒燈和改裝燈泡已經(jīng)擁有比白熾燈、鹵素燈或CFL等現(xiàn)在照明技術(shù)更高的能效。而在成本方面，研究發(fā)現(xiàn)，與2010年相比，LED的價格已經(jīng)加速下降(每年下降13%至24%)，預(yù)計未來幾年仍會持續(xù)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國國家發(fā)改委發(fā)布《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，規(guī)劃到2015年LED功能性照明產(chǎn)品市場占有率達20%以上，LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長30%左右，2015年產(chǎn)值達4,500億元(折合720億美元)。
LED通用照明應(yīng)用及發(fā)展前景
LED除了廣泛應(yīng)用移動設(shè)備、中大尺寸液晶顯示屏(LCD)背光及LED標牌等領(lǐng)域外，如今也在越來越多地用于LED汽車內(nèi)部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車燈、儀表盤背光、車頂燈、閱讀燈和氛圍燈等，以及住宅照明和建筑物裝飾照明等LED通用照明。
LED通用照明應(yīng)用覆蓋寬廣功率范圍，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(yè)及建筑物裝飾性照明，高至75 W到250 W的戶外及基礎(chǔ)設(shè)施照明，典型照明產(chǎn)品有如MR16/GU10燈、E27/A19燈泡、鎮(zhèn)流器、筒燈、T8燈管、街燈等。
圖1：典型LED通用照明應(yīng)用
LED通用照明應(yīng)用極具發(fā)展前景。各種LED通用照明燈具中，近期來看，LED燈泡(如A19 LED燈泡)的發(fā)展勢頭驚人。據(jù)統(tǒng)計，2012年全球LED燈泡出貨量達7.35億只，2013年預(yù)計將增長到12.25億只；預(yù)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(yù)計較2013年增長約85%，達22.70億只；而到2015年出貨量將進一步增長至39億只。
高能效驅(qū)動器是LED通用照明的重點
要將LED照明的節(jié)能功能發(fā)揮至最高，就需要高能效的LED驅(qū)動器。我們以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅(qū)動電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件，見圖2的左半部分。就驅(qū)動電路而言，高能效LED驅(qū)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(qū)動電路，其中使用的是典型的獨立式LED驅(qū)動器。
圖2：a)典型LED燈泡剖視圖(左圖)；b)典型LED燈泡驅(qū)動電路(右圖)
要發(fā)揮LED通用照明的高能效優(yōu)勢，LED驅(qū)動器存在多重挑戰(zhàn)。首先就是能效至關(guān)重要。以LED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅(qū)動器則可幫助將更多電能轉(zhuǎn)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(qū)動器的選擇也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。由于LED燈泡空間有限，故須減小驅(qū)動電子電路的尺寸以使剩余空間增多，配合散熱。LED通用照明涵蓋不同功率等級，故須優(yōu)化LED驅(qū)動器選擇，以配合不同照明及功率要求。出于安規(guī)、LED選擇等因素，設(shè)計人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓撲結(jié)構(gòu)，由此也影響到LED驅(qū)動器的選擇。
安森美半導(dǎo)體配合LED通用照明的驅(qū)動器方案
安森美半導(dǎo)體積極推動高能效創(chuàng)新，包括LED照明在內(nèi)的高能效電子創(chuàng)新，涉及LED照明的眾多細分市場，如前文提到的移動設(shè)備、LCD背光、LED標牌、汽車及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半導(dǎo)體在照明市場的重點。在LED通用照明市場，安森美半導(dǎo)體的策略是充分利用公司寬廣陣容的模擬電源IC、分立器件及先進微封裝，提供與眾不同的高能效LED驅(qū)動器方案。
安森美半導(dǎo)體提供覆蓋涵蓋寬廣功率范圍及不同拓撲結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動器方案。安森美半導(dǎo)體能用于低功率LED通用照明應(yīng)用的驅(qū)動器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是單段式功率因數(shù)校正(PFC)、支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動器，采用次級端控制器，支持反激/降壓/降壓-升壓等拓撲結(jié)構(gòu)。NCL30002也是單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器，支持降壓拓撲結(jié)構(gòu)，提供±3%的電流容限。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083等器件，是新推出的高能效準諧振控制器，用于低功率LED照明應(yīng)用。
值得一提的是，NCL3008x系列采用初級端穩(wěn)流(Primary Side Regulation)技術(shù)(也稱初級端控制或原邊控制)這種新穎的控制方法，省去次級端控制電路及光耦，能夠精確地從初級端對LED電流進行恒流穩(wěn)流，幫助簡化PCB布線、節(jié)省電路板空間、提升能效，并簡化安全分析(見圖3左)。此外，它還具有高穩(wěn)流精度、支持寬正向壓降(Vf)范圍、低電磁干擾(EMI)及集成強固保護特性等眾多優(yōu)勢。這系列器件提供0.8至0.9的功率因數(shù)，符合美國“能源之星”對功率大于5 W的LED燈泡在功率因數(shù)方面的要求(PF>0.7)。
圖3：a) NCL3008x新穎的初級端控制技術(shù)(左)；
b)基于NCL3008x的A19燈泡參考設(shè)計(右)
安森美半導(dǎo)體還開發(fā)了基于NCL30082的緊湊型A19 LED燈泡的參考設(shè)計(見圖2右側(cè))。這參考設(shè)計優(yōu)化用于隔離反激或非隔離降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化用于10 W LED照明應(yīng)用。它采用谷底填充PFC來滿足“能源之星”功率因數(shù)高于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(shè)計提供高能效、高功率因數(shù)及高穩(wěn)流精度。
而在中等功率及大功率LED照明方面，安森美半導(dǎo)體同樣提供豐富的產(chǎn)品組合，滿足客戶不同應(yīng)用需求。其中既包含單段式及組合控制器，也包含傳統(tǒng)的兩段式(PFC段 + DC-DC段)控制器，覆蓋從15 W至400 W的寬廣功率范圍，如圖4所示。
圖4：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于中大功率LED通用照明的驅(qū)動器
從圖4中可以看出，在中等功率LED通用照明應(yīng)用中，可以采用NCL30000及NCL30001這樣的單段式功率因數(shù)校正LED控制器；而在功率更大的應(yīng)用中，可以采用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(shù)校正(PFC)及諧振半橋組合控制器，優(yōu)化用于離線LED照明應(yīng)用，能夠為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動器提供恒定電壓。這器件集成了一個臨界導(dǎo)電模式(CrM) PFC控制器及一個半橋諧振控制器，并內(nèi)置600 V驅(qū)動器，針對離線電源應(yīng)用進行了優(yōu)化，具備了所有實現(xiàn)高能效、小外形因數(shù)設(shè)計所需的特性。
除了上述單段式方案，設(shè)計人員還可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式(PFC段 + DC-DC轉(zhuǎn)換段)方案。具體而言，PFC段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，基于創(chuàng)新的電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)，在PFC電感電流超過設(shè)定值時，電路通常工作在臨界導(dǎo)電模式(CrM)，而當電流低于預(yù)設(shè)值時，將開關(guān)頻率線性降低至約20 kHz，此時電流為零。CCFF架構(gòu)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(yīng)用包括可用于平板電視、一體式計算機和大功率電源適配器，以及LED照明電源及驅(qū)動器、可調(diào)光熒光燈鎮(zhèn)流器等。
在DC-DC段，可以選用的器件包括NCP1398、NCP1380、NCP1288和NCL30105等。除了這些器件，安森美半導(dǎo)體還在開發(fā)更多的新產(chǎn)器，滿足客戶的更寬應(yīng)用需求。
智能LED照明的優(yōu)勢及發(fā)展預(yù)測
正在興起的LED智能照明是LED通用照明市場的另一個重點，也是重要發(fā)展方向。所謂“智能照明”，往往結(jié)合了智能可調(diào)光LED驅(qū)動器、無線接收器、紅外接收器、環(huán)境光傳感器及無源紅外占用情況傳感器等。
圖5：智能LED照明集成了多種新功能
LED智能照明將使LED更易于控制及調(diào)光。LED智能照明電子電路中將增強多種新功能，如結(jié)合占用情況傳感器或環(huán)境光傳感器來配合調(diào)光控制及省電等。例如，內(nèi)置占用情況傳感器可用于檢測及確定照明區(qū)域是否有人，一般用于房間入口或出口，能夠進行安全地照明控制及省電。這類傳感器大多數(shù)使用的是無源紅外(Ir)傳感器，其它的傳感器選擇包括超聲波及運動傳感器等。
此外，電子電路中采用硅光電傳感器，可用于不同應(yīng)用，如測量環(huán)境光以采集日光，以及用于感測燈具光輸出來進行LED照明控制等。典型的環(huán)境光傳感器有如安森美半導(dǎo)體帶線性輸出的NOA1211/2及帶雙輸出的NOA1305等。環(huán)境光傳感器配合戶外(黃昏/黎明)及室內(nèi)(日光采集)調(diào)光，因而節(jié)能。透過閉環(huán)控制LED光源，可以調(diào)節(jié)不同溫度及時間條件下的特定光輸出。此外，帶LED輸出光反饋的恒定光輸出調(diào)節(jié)能節(jié)省及延長驅(qū)動器使用壽命。
圖6：安森美半導(dǎo)體NOA1211/2及NOA1305環(huán)境光傳感器能夠配合LED智能照明應(yīng)用
智能照明也將更靈活，可以使用低能耗的無線接口，如IrDA紅外、Zigbee及低能耗藍牙(Bluetooth LE)，無需改變開關(guān)或線纜。但這要求無線控制標準就位，如Zigbee Light Link™等。
LED驅(qū)動器IC要配合LED“智能”照明，其設(shè)計必須能夠輕易地配合模擬及數(shù)字(即PWM)調(diào)光。例如，安森美半導(dǎo)體的NCL30082 LED控制器配合智能調(diào)光接口，能以單個控制引腳進行模擬調(diào)光、數(shù)字調(diào)光，或是同時進行模擬與數(shù)字調(diào)光，提供0至100%的寬調(diào)光范圍。這器件易于連接模擬傳感器或微控制器(MCU)通用輸入/輸出端口(GPIO)，增強了設(shè)計靈活性。
在這些技術(shù)的配合下，智能LED燈泡及LED模塊即將出現(xiàn)。通過結(jié)合標準化的無線控制技術(shù)、以太網(wǎng)及因特網(wǎng)，人們有望使用智能手機遠程控制LED燈泡。新的方案還能解決熱管理、光學(xué)及模塊化/替代問題。預(yù)計商業(yè)/工業(yè)細分市場將帶領(lǐng)智能照明方案的采用。
小結(jié)
在環(huán)保大潮及各種政策法規(guī)的推動下，LED照明正在迅速發(fā)展。要充分利用LED通用照明的高能效優(yōu)勢，使用高能效的LED驅(qū)動器必不可少。本文介紹了通用照明LED驅(qū)動器面臨的挑戰(zhàn)，以及安森美半導(dǎo)體克服這些挑戰(zhàn)、應(yīng)用于不同LED通用照明應(yīng)用的LED驅(qū)動器方案。安森美半導(dǎo)體提供陣容廣博、相輔相成的方案，包括配合智能調(diào)光的LED驅(qū)動器及相關(guān)傳感器等，幫助推動及迎接LED智能照明時代的來臨。