照明用電是全球能耗的一項重要來(lái)源。據推算，中國照明用電約占全社會(huì )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用仍然非常廣泛，如果限制低能效光源的使用、同時(shí)大力地推廣及應用更高能效及環(huán)保的光源，將利于節能。
    因此，包括中國在內，世界上多個(gè)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(chǎng)上已經(jīng)應用多年。但熒光燈含劇毒物質(zhì)汞，所引發(fā)的環(huán)保顧慮越來(lái)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(cháng)壽命特性，越來(lái)越受重視。實(shí)際上，LED筒燈和改裝燈泡已經(jīng)擁有比白熾燈、鹵素燈或CFL等現在照明技術(shù)更高的能效。而在成本方面，研究發(fā)現，與2010年相比，LED的價(jià)格已經(jīng)加速下降(每年下降13%至24%)，預計未來(lái)幾年仍會(huì )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(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國國家發(fā)改委發(fā)布《半導體照明節能產(chǎn)業(yè)規劃》，規劃到2015年LED功能性照明產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達20%以上，LED照明節能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長(cháng)30%左右，2015年產(chǎn)值達4,500億元(折合720億美元)。

LED通用照明應用及發(fā)展前景 
    LED除了廣泛應用移動(dòng)設備、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(lái)越多地用于LED汽車(chē)內部/外部照明，如前照燈、霧燈、尾燈、停車(chē)燈、儀表盤(pán)背光、車(chē)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(hù)外及基礎設施照明，典型照明產(chǎn)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通用照明應用
    LED通用照明應用極具發(fā)展前景。各種LED通用照明燈具中，近期來(lái)看，LED燈泡(如A19 LED燈泡)的發(fā)展勢頭驚人。據統計，2012年全球LED燈泡出貨量達7.35億只，2013年預計將增長(cháng)到12.25億只；預計到2014年將迎來(lái)LED燈泡市場(chǎng)的引爆點(diǎn)，屆時(shí)LED燈泡價(jià)格將會(huì )降至10美元以下，出貨量預計較2013年增長(cháng)約85%，達22.70億只；而到2015年出貨量將進(jìn)一步增長(cháng)至39億只。

高能效驅動(dòng)器是LED通用照明的重點(diǎn)
    要將LED照明的節能功能發(fā)揮至最高，就需要高能效的LED驅動(dòng)器。我們以L(fǎng)ED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅動(dòng)電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件，見(jiàn)圖2的左半部分。就驅動(dòng)電路而言，高能效LED驅動(dòng)器IC無(wú)疑是其中的重點(diǎn)。圖2的右半部分顯示了典型的LED燈泡驅動(dòng)電路，其中使用的是典型的獨立式LED驅動(dòng)器。
 
圖2：a)典型LED燈泡剖視圖(左圖)； b)典型LED燈泡驅動(dòng)電路(右圖)
    要發(fā)揮LED通用照明的高能效優(yōu)勢，LED驅動(dòng)器存在多重挑戰。首先就是能效至關(guān)重要。以L(fǎng)ED燈泡為例，其形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅動(dòng)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(dòng)器的選擇也構成了挑戰。由于LED燈泡空間有限，故須減小驅動(dòng)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驅動(dòng)器選擇，以配合不同照明及功率要求。出于安規、LED選擇等因素，設計人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓撲結構，由此也影響到LED驅動(dòng)器的選擇。

安森美半導體配合LED通用照明的驅動(dòng)器方案
    安森美半導體積極推動(dòng)高能效創(chuàng )新，包括LED照明在內的高能效電子創(chuàng )新，涉及LED照明的眾多細分市場(chǎng)，如前文提到的移動(dòng)設備、LCD背光、LED標牌、汽車(chē)及通用照明等。其中，LED通用照明如今是安森美半導體在照明市場(chǎng)的重點(diǎn)。在LED通用照明市場(chǎng)，安森美半導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(jìn)微封裝，提供與眾不同的高能效LED驅動(dòng)器方案。
    安森美半導體提供覆蓋涵蓋寬廣功率范圍及不同拓撲結構的LED驅動(dòng)器方案。安森美半導體能用于低功率LED通用照明應用的驅動(dòng)器包括NCL30000、NCL30002及NCL3008x系列等。其中，NCL30000是單段式功率因數校正(PFC)、支持TRIAC調光的LED驅動(dòng)器，采用次級端控制器，支持反激/降壓/降壓-升壓等拓撲結構。NCL30002也是單段式功率因數校正LED驅動(dòng)器，支持降壓拓撲結構，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照明應用。
    值得一提的是，NCL3008x系列采用初級端穩流(Primary Side Regulation)技術(shù)(也稱(chēng)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(jìn)行恒流穩流，幫助簡(jiǎn)化PCB布線(xiàn)、節省電路板空間、提升能效，并簡(jiǎn)化安全分析(見(jiàn)圖3左)。此外，它還具有高穩流精度、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，符合美國“能源之星”對功率大于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(shù)(左)；  b)基于NCL3008x的A19燈泡參考設計(右)
    安森美半導體還開(kāi)發(fā)了基于NCL30082的緊湊型A19 LED燈泡的參考設計(見(jiàn)圖2右側)。這參考設計優(yōu)化用于隔離反激或非隔離降壓-升壓拓撲結構，優(yōu)化用于10 W LED照明應用。它采用谷底填充PFC來(lái)滿(mǎn)足“能源之星”功率因數高于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(chǎn)品組合，滿(mǎn)足客戶(hù)不同應用需求。其中既包含單段式及組合控制器，也包含傳統的兩段式(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：安森美半導體應用于中大功率LED通用照明的驅動(dòng)器
    從圖4中可以看出，在中等功率LED通用照明應用中，可以采用NCL30000及NCL30001這樣的單段式功率因數校正LED控制器；而在功率更大的應用中，可以采用NCL30051和NCP1910這樣的高能效組合控制器。以NCL30051為例，這是一款功率因數校正(PFC)及諧振半橋組合控制器，優(yōu)化用于離線(xiàn)LED照明應用，能夠為降壓DC-DC轉換器/LED驅動(dòng)器提供恒定電壓。這器件集成了一個(gè)臨界導電模式(CrM) PFC控制器及一個(gè)半橋諧振控制器，并內置600 V驅動(dòng)器，針對離線(xiàn)電源應用進(jìn)行了優(yōu)化，具備了所有實(shí)現高能效、小外形因數設計所需的特性。
    除了上述單段式方案，設計人員還可以根據應用需求選擇傳統的兩段式(PFC段 + DC-DC轉換段)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，在PFC電感電流超過(guò)設定值時(shí)，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低于預設值時(shí)，將開(kāi)關(guān)頻率線(xiàn)性降低至約20 kHz，此時(shí)電流為零。CCFF架構同時(shí)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照明電源及驅動(dòng)器、可調光熒光燈鎮流器等。   
    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，安森美半導體還在開(kāi)發(fā)更多的新產(chǎn)器，滿(mǎn)足客戶(hù)的更寬應用需求。

智能LED照明的優(yōu)勢及發(fā)展預測
    正在興起的LED智能照明是LED通用照明市場(chǎng)的另一個(gè)重點(diǎn)，也是重要發(fā)展方向。所謂“智能照明”，往往結合了智能可調光LED驅動(dòng)器、無(wú)線(xiàn)接收器、紅外接收器、環(huán)境光傳感器及無(wú)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更易于控制及調光。LED智能照明電子電路中將增強多種新功能，如結合占用情況傳感器或環(huán)境光傳感器來(lái)配合調光控制及省電等。例如，內置占用情況傳感器可用于檢測及確定照明區域是否有人，一般用于房間入口或出口，能夠進(jìn)行安全地照明控制及省電。這類(lèi)傳感器大多數使用的是無(wú)源紅外(Ir)傳感器，其它的傳感器選擇包括超聲波及運動(dòng)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(lái)進(jìn)行LED照明控制等。典型的環(huán)境光傳感器有如安森美半導體帶線(xiàn)性輸出的NOA1211/2及帶雙輸出的NOA1305等。環(huán)境光傳感器配合戶(hù)外(黃昏/黎明)及室內(日光采集)調光，因而節能。透過(guò)閉環(huán)控制LED光源，可以調節不同溫度及時(shí)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節能節省及延長(cháng)驅動(dòng)器使用壽命。


圖6：安森美半導體NOA1211/2及NOA1305環(huán)境光傳感器能夠配合LED智能照明應用
    智能照明也將更靈活，可以使用低能耗的無(wú)線(xiàn)接口，如IrDA紅外、Zigbee及低能耗藍牙(Bluetooth LE)，無(wú)需改變開(kāi)關(guān)或線(xiàn)纜。但這要求無(wú)線(xiàn)控制標準就位，如Zigbee Light Link™等。
    LED驅動(dòng)器IC要配合LED“智能”照明，其設計必須能夠輕易地配合模擬及數字(即PWM)調光。例如，安森美半導體的NCL30082 LED控制器配合智能調光接口，能以單個(gè)控制引腳進(jìn)行模擬調光、數字調光，或是同時(shí)進(jìn)行模擬與數字調光，提供0至100%的寬調光范圍。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。通過(guò)結合標準化的無(wú)線(xiàn)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(wèn)題。預計商業(yè)/工業(yè)細分市場(chǎng)將帶領(lǐng)智能照明方案的采用。

小結
    在環(huán)保大潮及各種政策法規的推動(dòng)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驅動(dòng)器必不可少。本文介紹了通用照明LED驅動(dòng)器面臨的挑戰，以及安森美半導體克服這些挑戰、應用于不同LED通用照明應用的LED驅動(dòng)器方案。安森美半導體提供陣容廣博、相輔相成的方案，包括配合智能調光的LED驅動(dòng)器及相關(guān)傳感器等，幫助推動(dòng)及迎接LED智能照明時(shí)代的來(lái)臨。