《电子技术应用》

街道及停车场照明等大功率LED区域照明挑战驱动电源

摘要: 从应用领域来看,照明涵盖住宅照明、工业照明、街道照明和餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看,除了低功率照明,也包括大功率区域照明,典型应用如柱灯(bollards)、洗墙灯(wall wash)、外墙灯(wall pack)、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明,以及低顶灯(low bay)、高顶灯(high bay)、冷冻柜/冰箱及停车库等室内照明。

Abstract:

  随着人们节能环保意识的日渐增强,业界越来越关注能源消耗对环境的影响。在各种能源消耗途径中,据统计,有高达20%至22%的电能用于照明。提高照明应用的能源使用效率乃至进一步降低其能源消耗,有助于减少二氧化碳排放,造就更加绿色环保的世界。因此,高能效照明正在成为业界竞逐的一个焦点。

  从应用领域来看,照明涵盖住宅照明、工业照明、街道照明和餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看,除了低功率照明,也包括大功率区域照明,典型应用如柱灯(bollards)、洗墙灯(wall wash)、外墙灯(wall pack)、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明,以及低顶灯(low bay)、高顶灯(high bay)、冷冻柜/冰箱及停车库等室内照明。

  大功率区域照明存在不少挑战,如灯具可能难以接近、光源发生故障时可能带来安全问题、户外存在多种极端环境条件等。此外,不容忽视的是,应用于大功率区域照明的现有光源(如金属卤化物灯(MHL)、高压钠灯(HPS)、线性萤光灯(LFL)及紧凑型萤光灯(CFL))存在着不少侷限,如高压钠灯的演色性差(CRI约为22),金属卤化物灯的典型灯具损耗较高(40%)且其从启动到发光至完整亮度经历的时间可能长达10分钟,线性萤光灯的冷温度性能差,紧凑型萤光灯的启动速度也较慢。

  另一方面,随着高亮度白光发光二极管(LED)在性能和成本等方面持续改进,越来越多地用于大功率区域照明,并提供传统光源不具备的优势,如发出每流明光所消耗的电能更少、方向控制性更好、色彩品质更佳、环保,并且其开启和关闭能够更方便地控制,便于自动检测环境光,从而改变亮度;此外,LED的可靠性也更佳,利于降低维护成本及总体拥有成本。

  LED区域照明应用要求

  LED驱动器的主要功能就是在多种条件下限流,并要保护LED免受浪涌及其它故障条件影响,以及提供某种等级的安全性,避免(电气和/或机械方式的)震动及着火。对于区域照明应用而言,室外环境会给LED驱动器带来温度挑战,且可能需要承受277 Vac、347 Vac或者甚至480 Vac等比标准电压更高的交流输入电压。

  区域照明应用的LED驱动器可能还需要符合某些有关功率因子或谐波含量的规范标准。如欧盟的国际电工联盟(IEC)的IEC61000-3-2标准对功率超过25 W的照明装置(C类)的谐波含量提出了要求,相当于总谐波失真(THD)低于35%;但符合IEC61000-3-2 C类谐波含量要求并不必然表示功率因子(PF)高于0.9。而某些市场(如美国)通常要求PF高于0.9及THD低于20%。

  很多区域照明应用都在室外,可能会经受各种严格温度条件,从而使总体使用寿命受到影响。而总体系统设计对使用寿命有重要影响,故使用内部发热少、损耗更低的高能效LED驱动器非常重要,而且在设计中要对驱动器与LED热源进行热隔离,从而增强系统可靠性。


图1:智能双亮度等级LED街道照明示例。

  LED照明的控制也可以变得更加智能化。传统街灯以计时器或环境光传感器来自主控制。而利用电力线通讯(PLC)或无线控制技术,可以提供高度灵活的LED区域照明控制,如基于时间的光输出等级集中控制、基于车流量传感器的发光等级控制,以及根据检测人、车活动来调控市中心照明,兼顾步行车及街道照明。LED智慧控制技术在节省电能之余,还不会损及安全性。典型应用有如智慧双亮度等级照明,如公园、加油站顶棚、停车场所、楼梯及电冰箱箱体照明都支援根据需要来调整亮度等级的照明。LED能够即时导通及关闭,能够在这些应用中方便地根据动作或活动来调节照明等级,如在未检测到活动时提供20%-40%的亮度等级,而在检测到活动时提供100%亮度的照明。如此就利于大量节省额外的电能消耗。

  LED区域照明电源架构及典型LED驱动方案

  1)    适合线性灯、线槽灯等应用的分布式/模组化方案

  大功率LED区域照明应用中,一种常见的电源架构是“功率因子校正(PFC)+恒压(CV)+恒流(CC)”的三段式架构。此种架构中,交流输入电源经过功率因子校正和隔离型直流-直流(DC-DC)转换后,输出24至80 Vdc的固定电压,提供给后面内置DC-DC降压转换电路的恒流LED模组(见图2)。此种架构的设计提供了能够现场升级的模组化途径,可根据实际需求,灵活改变LED光条数量,从而增加或减小光输出,满足具体区域照明应用要求。此种架构(light bar)下,交流-直流(AC-DC)转换与LED驱动电路并未整合在一起,而是采用分布式配置,既简化安全考虑又增强系统灵活性,也称作分布式方案,典型应用包括线性灯(linear lighting)及线槽灯(cove lighting)等。


图2:典型的模组化LED区域照明电源架构示意图。

  在此种模组化途径下,一项设计能够扩展用于多种光输出等级。而且随着LED光输出性能增强,LED模组要提供相同光输出等级,所需采用的灯条就更好。而每个灯条都设有一个专用的DC-DC LED驱动器,如可以采用安森美半导体的CAT4201高能效降压LED驱动器。CAT4201专门优化用于驱动大电流LED,采用具有专利的开关控制算法,提供高能效及精确的LED稳流(可达350 mA)。CAT4201可采用最高36 V的电源电压供电,并相容于12 V和24 V标准照明系统。图3显示的是CAT4201的高压LED驱动器配置,周边的N沟道MOSFET支援高压输入:100 V输入电压时LED功率达30 W;50 V输入时LED功率达13 W。


图3:CAT4201高压LED驱动器配置。  
 

  2)    适合洗墙灯、外墙灯等应用的整体式/单段式方案

  并不是所有的区域照明应用都要求采用分布式/模组化方案。随着白光LED性能的快速提升,新型LED已经可以配合新的LED驱动器设计方法。领先的LED制造商已经推出支持更大电流及具备更高发光性能的新型LED,如Cree的XP-G系列LED(正向压降为3.3 V)在1 A电流时可提供330流明光输出,Seoul Semiconductor的P7系列LED(正向压降为3.3 V)在1.4 A时可提供400 流明光输出。在此种条件下,可以配置新颖的LED驱动器来直接驱动1 A到3 A的大电流。例如,可以采用安森美半导体的NCL30001功率因子校正TRIAC可调光LED驱动器。

  NCL30001是一种整体式/单段式的LED驱动方案,此种方案整合了PFC和隔离型DC-DC转换电路,并提供恒定电流来直接驱动LED。此种方案相当于将AC-DC转换与LED驱动两部分电路整合在一起,均位于照明灯具内,省下了LED光条中整合的线性或DC-DC转换器。此种整体式方案的电源转换段更少,减少元件使用数量(如光学元件、LED、电子元件及印制电路板等)、降低系统成本,并支援更高的LED电源总体能效。当然,此种方案的功率密度更高,可能并不适合所有区域照明应用,其光学图案可能更适合较低功率的LED,典型应用包括LED街灯、外墙灯、洗墙灯及电冰箱箱体照明等。


图4:基于NCL30001 LED驱动器和NCS1002控制器的90 W LED驱动器演示板电路。

  安森美半导体开发了一款功率达90 W、电流0.7 A至1.5 A、电压低于60 V的单段式高功率因子LED驱动器演示板。该演示板采用了NCL30001 LED驱动器及带脉宽调制(PWM)调光功能的NCS1002次级端恒压恒流(CVCC)控制器(见图4),适合LED街灯等区域照明应用。

  此90 W恒压恒流演示板接受90至265 Vac的扩展通用输入电压(更换元件条件下可支援305 Vac),提供0.7 A至1.5 A的恒定电流输出范围(可通过微幅调节电阻来选择)及30 V至55 V的恒定输出电压范围(可通过电阻分压器来选择),最大输出功率90 W,支持50至1,000 Hz调光控制,并包含可连接至可选调光卡的6引脚接口,用于类比电流调节/双亮度等级数字调光等智慧调光应用。此外,此演示板还提供短路保护、开路保护、过温保护、过流保护及过压保护等丰富保护特性。测试显示,此演示板在50 W输出功率、1,000 mA输出电压/48 V正向压降条件的能效高于87%(详见表1),在50%至100%负载条件下功率因子高于0.9,同时符合IEC61000-3-2 C类设备谐波含量标准。


表1:基于NCL30001和NCS1002的90 W LED驱动器演示板能效测试结果。

  3)    用于更大功率区域照明应用的高能效LLC拓扑结构驱动电源

  近年来,业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓,期望在更大功率的50 W至250 W LED区域照明应用中提供高能效(如高于90%)。要提供如此高的能效,需要采用高能效的电源拓扑结构,如谐振半桥双电感加单电容(LLC)拓扑结构,从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。

  在此类要求超高能效的更大功率LED区域照明应用中,可以结合采用安森美半导体的NCP1607 PFC控制器和NCP1397双电感加单电容(LLC)半桥谐振控制器,用于功率在50到300 W范围的高能效LED街道照明应用。NCP1397是最新高性能谐振模式LLC控制器,整合了600 V高压浮动驱动器,支持50到500 kHz的高频工作,内置高端和低端驱动器,支援可调节及精确的最低频率,提供极高能效,并具备多种故障保护特性。


图5:基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED电源配置。

  增强LED串可靠性的保护方案

  区域照明应用中通常会采用多串LED。虽然LED本身可靠性高,但若LED串中的某个LED开路,那么整串LED就可能关闭,而街道照明等应用中要避免此种状况,从而降低后期维护成本。安森美半导体推出了NUD4700 LED电流旁路保护器。此元件是一款分流元件,万一LED串中某个LED开路,则会提供电流旁路,确保在某个LED故障的条件下整串LED不会关闭;而且恰当处理散热的话,还可支援大于1 A的大电流。

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