中心議題：
- LED照明設計基礎知識
- LED照明驅(qū)動方案選型
解決方案：
- LED通用照明方案選型
- 便攜設備及液晶電視LED 背光方案選型
- 汽車照明LED驅(qū)動方案選型
近年來，隨著LED在光效及成本等幾乎各個方面的持續(xù)改進，其應用領域不斷拓寬，從傳統(tǒng)的便攜設備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車及通用照明等領域不斷邁進。不同的應用對LED的要求不同，故需針對不同的應用選擇合適的LED驅(qū)動器。安森美半導體提供豐富的LED 驅(qū)動器產(chǎn)品，可滿足各種LED 照明應用需求。本文將結(jié)合LED照明設計基礎知識，重點介紹安森美半導體在各個照明細分市場的應用方案，幫助照明設計工程師選擇合適的方案。
LED照明設計基礎知識
安森美半導體的產(chǎn)品應用總監(jiān)Bernie Weir先生為工程師們傳授LED照明設計基礎知識，內(nèi)容涉及LED驅(qū)動器的通用要求、電源拓撲結(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設計入門及提高，從而更好地服務于LED照明市場。
LED照明設計基礎知識
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通用照明方案
安森美半導體有適用于不同功率AC-DC 供電的LED 通用照明方案，覆蓋寬廣的功率范圍。
1)1 W 至8 W 方案
1 W 至8 W 的低功率LED 通用照明應用包括G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應用的輸入電壓范圍在交流90 至264 V 之間，恒流輸出電流包括350 mA 和700 mA 兩種，能效要求為80%，還要求提供短路和過壓保護等特性。這類應用可以采用安森美半導體的NCP1015 自供電單片開關(guān)控制IC。該器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V 的高壓MOSFET，具備構(gòu)建強固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點及動態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。
NCP1015 既可用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，見圖1。
圖1 基于NCP1015 的1 W 至8 W 隔離型(a)及非隔離型(b)LED 照明方案
值得一提的是， “能源之星”新版固態(tài)照明標準的一個重要特點是要求多種住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)最低達到0.7。這類LED 照明應用的功率一般在1 W至12 W，最適宜采用隔離型反激電源拓撲結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)有標準設計技術(shù)的功率因數(shù)通常不到0.6。要改善功率因數(shù)，輕松符合“能源之星”要求，可結(jié)合優(yōu)化的NCP1014LEDGTGEVB 評估板，采用安森美半導體的離線型8 W LED 驅(qū)動器參考設計。
安森美半導體的NCP1014LEDGTGEVB 評估板可驅(qū)動1 至8 顆大功率高亮度LED。該設計基于集成了帶內(nèi)部限流功能的高壓電源開關(guān)的緊湊型固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器NCP1014 構(gòu)建。由于NCP1014 采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個特定點；導通時間的限制使輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。評估板電路圖見圖2。
圖2 NCP1014LEDGTGEVB 電路圖[page]
2)8 W 至25 W 方案(無PFC 及有PFC)
在8 W 至25 W AC-DC LED 照明應用中，一種方案不要求功率因數(shù)校正(PFC)，另一種需要符合“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定的強PFC 要求。該標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，商業(yè)應用須大于0.9。
不需要 PFC 的8 W 至25 W AC-DC LED 照明的典型應用如PAR30、PAR38和嵌燈。這類應用的輸入電壓要求為85 至135 Vac 或185 至264Vac，能效要求大于80%，提供短路保護及開路保護等特性，恒流輸出電流為350 mA、700mA 及1 A 等。為此，可以采用安森美半導體的NCP1028 或NCP1351。NCP1028是一款增強型單片開關(guān)控制IC，提供800 mA 峰值電流，還提供過功率保護、內(nèi)置斜坡補償及輸入欠壓保護等特性，適合在通用寬電源輸入應用中提供幾瓦至15 W 的輸出功率。
圖3 基于NCP1028和NCP1351的8-15/25W AC-DC LED照明方案（無PFC）
要求 PFC 的8 W 至25 W AC-DC LED 照明的典型應用同上，輸入電壓規(guī)格為90 至264 Vac，其他指標與不需要PFC 的應用相同，而功率因數(shù)要求高于0.9。這類應用適合采用安森美半導體的NCL30000 單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器。單段式拓撲結(jié)構(gòu)無需專用PFC 升壓段，減少了元器件數(shù)量，降低了系統(tǒng)總成本。NCL30000 滿足IEC C 類諧波含量要求，可直接驅(qū)動LED，具備精確恒流輸出控制，在5 W 至15 W 較低輸出功率時能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC 等現(xiàn)有調(diào)光方案。
圖4 基于NCL30000的8-25W AC-DC LED照明方案（有PFC）
3)50 W 至200 W 方案
功率高于50 W 的AC-DC LED 應用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明。其輸入電壓規(guī)格為90 至264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護，恒流輸出為350 mA、700 mA 和1 A。此類應用可以采用單段式PFC LED 驅(qū)動器NCL30001 、CrM PFC+ QR PWM 驅(qū)動器NCP1607+NCP1377，以及CrM PFC+ LLC PWM 驅(qū)動器NCP1607+NCP1397或NCP1392/3，以滿足不同需求。
圖5 基于NCL30001的40-150W AC-DC LED照明方案[page]
便攜設備及液晶電視LED 背光方案
隨著LED性能及成本的改善，現(xiàn)在LED被廣泛應用在便攜設備和大尺寸LCD背光中。便攜應用要求延長電池使用時間，減小占板面積和高度。安森美半導體的多種低壓便攜產(chǎn)品背光應用LED 驅(qū)動器方案可用于線性、電感型及電荷泵型等不同拓撲結(jié)構(gòu)。其中，電感型方案總能效最佳，電荷泵型方案的占板面積和高度最小，線性驅(qū)動器則適合簡單背光應用。
安森美半導體的CAT3200、NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、NCP5603 等支持電荷泵方案的不同調(diào)光型產(chǎn)品，如單模、雙模、三模或四模方案等。以NCP5623為例，這是一款高能效LED 驅(qū)動器，帶有I2C 接口，內(nèi)置漸進調(diào)光功能，特別適用于驅(qū)動手機等便攜產(chǎn)品的RGB LED 裝飾光和增強型LCD 背光。它可實現(xiàn)94%峰值能效和低于1 微安的待機電流，將便攜設備電池工作時間延至最長。該器件封裝極小，僅需4 個無源元件，并具備短路和過壓保護功能。
采用NCP1397 和CAT4026的46 英寸液晶電視背光方案由LED 背光轉(zhuǎn)換器(NCP1397 等器件)和LED 控制器(CAT4026 等器件)組成。安森美半導體的NCP1397 初級端控制器配合帶正向電壓監(jiān)測功能的6 通道線性LED 驅(qū)動器CAT4026 等器件，支持低高度LED 背光液晶電視設計，使電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以很好地處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護等問題，使電源設計挑戰(zhàn)迎刃而解。
CAT4026 是應用于大尺寸側(cè)光式LED 背光液晶電視的多通道線性LED 驅(qū)動器的高性價比方案，可以單顆IC 支持6 通道，且易于分級為多達12 個或18個通道(相應采用2 個或3 個控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%。此外，該驅(qū)動器還提供正向電壓監(jiān)測功能，可以限制總體功耗；還能為LED 開路及過多LED 短路等不同LED 串故障提供保護。
圖6 基于CAT4026的液晶電視LED背光方案
汽車照明LED 驅(qū)動方案
LED在汽車照明中的應用多種多樣，不同應用對LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應用要求，選擇適合的LED驅(qū)動器方案。
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安森美半導體針對LED汽車前照燈系統(tǒng)開發(fā)了NCV78663電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動器。NCV78663是先進的高可靠性、高能效的系統(tǒng)級芯片(SoC) LED驅(qū)動器，支持達2 A電流，提供高于90%的總能效，驅(qū)動高達60 V電壓的多串LED，能以PWM調(diào)光維持色溫及控制平均電流，使設計人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠光燈及近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向指示燈及霧燈，所需外部元件極少。這器件通過SPI接口與外部微控制器通信，在上電后動態(tài)地控制系統(tǒng)參數(shù)、檢測LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖4顯示的是NCV78663在先進的汽車前照燈應用中的電路圖。
圖7 基于NCV78663的汽車LED前照燈應用電路圖
此外，安森美半導體針對尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等系統(tǒng)的驅(qū)動器主要有NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動器。這兩款器件的設計均用于在交流-直流應用中替代分立方案，設計人員能夠利用外部電阻針對不同LED陣列設置驅(qū)動電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖5是用NUD4001 器件驅(qū)動一個200mA 的LED 的車廂頂燈電路。
圖 8：用NUD4001 器件驅(qū)動一個200mA 的LED 的車廂頂燈電路
總結(jié)
安森美半導體運用其在低壓、高壓技術(shù)及電源管理方面的專長，為各種應用提供全面的LED 驅(qū)動解決方案。這里介紹的只是安森美半導體眾多方案的極小部分。除了通用方案，安森美半導體還開發(fā)專用的LED 驅(qū)動器，以滿足不斷演變的便攜、消費、工業(yè)及汽車市場的特定需求。
