街道及停车场照明等大功率LED区域照明挑战暨驱动电源配置[1]

　　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：智慧双亮度等级LED街道照明示例

　　LED照明的控制也可以变得更加智慧化。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。

　　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。