LED照明全方位滲透,高能效驅動方案點亮前景

在當今電能需求與生產日趨失衡的條件下,最有效的因應途徑就是提升能效,即利用技術,以更少的電能來執行相同的任務或功能。電能使用涉及眾多的領域,以常見的建築物為例,美國建築物總能耗中約有30%的能耗源自照明領域,由此看來,照明領域節能的潛力巨大。

安森美半導體LED通用照明及電源行銷和系統工程總監Laurent Jenck(鄭樂康)指出,以一款典型的100 W白熾燈為例,其中約有95 W的電能轉化為熱量,剩餘的僅5 W電能轉化為光。因此,世界上許多國家都開始逐步淘汰一般的白熾燈,鼓勵使用節能燈。與白熾燈相比,緊湊型螢光燈(CFL)和線性螢光燈(LFL)等節能燈的能耗大幅下降(僅相當於白熾燈的約1/5),但這些傳統節能燈中含汞,對環境有不良影響。另一方面,高亮度發光二極體(HB-LED)近年來在光輸出、能效(efficacy)及成本等方面全面改善,同時結合小巧、低壓工作及環保等眾多優勢,正在照明領域掀起革命。

LED照明邁向不同領域,應用將更普及

如今,在螢幕尺寸小於4吋的手機、相機閃光等行動設備應用中,及路邊及體育場中大型顯示器應用中,LED照明,或稱固態照明(SSL),幾乎佔據了100%的市場。除此之外,LED照明也向其他領域邁進。如在汽車應用中,LED照明佔據約15%的市佔。而在較大液晶顯示器(LCD)背光應用中,雖然冷陰極螢光燈(CCFL)如今仍然佔據主導地位,但LED照明的總滲透率也達到約20%,參見圖1。特別是在備受矚目的大尺寸液晶電視背光應用中,據Laurent Jenck指出,預計LED背光的液晶電視在未來3到4年間,將佔據至50%的市佔。


圖1:LED照明在各種應用的滲透比例。

安森美半導體在電源管理及高能效方案具備專長及優勢 ,因此能發揮其在電源能效方面的領先實力,在可攜式應用、消費、工業和汽車等市場提供專用LED驅動器,且固態照明方案符合或超越世界各地的規範要求,如GreenPoint®參考設計電源般。

相比較而言,LED照明在燈泡、嵌燈、街道及區域照明、任務燈、景觀照明、商業建築物照明及看板文字電路照明等通用照明領域的滲透比例還偏低,目前小於2%,遠低於其他照明類型。但LED照明具有高能效等優勢,讓其在通用照明市場也極具應用潛力。例如,安森美半導體對從零售商店購得的一款鹵素檯燈(採用35 W燈泡)進行重新設計,原鹵素燈中無電子元件,僅含1個較重的60 Hz變壓器。這鹵素燈在120 Vac條件下的輸入功率為41.7 W,在0.5米距離處測得的光亮度為744流明。重新設計的檯燈採用LED模組,燈底部採用安森美半導體NCP1014自供電單片式開關穩壓器,在120 Vac條件下輸入功率為10.9 W,即能耗僅相當於鹵素燈的1/4;同時,這LED檯燈在同等距離條件下測得的光亮度為795流明,更優於鹵素燈,其72.9流明/瓦(lm/W)的能效(efficacy)更是數倍於鹵素燈(17.8 lm/W)。

當然,價格是LED照明在通用照明領域快速普及的一項制約因素。不過,安森美半導體的Laurent Jenck援引半導體的發展歷史指出,當半導體技術剛剛問世,其成本非常高昂以至於應用局限在美國軍方對成本不敏感的應用中,如軍事衛星;但隨著應用範圍的拓廣及應用的增多,半導體產品最後進入消費市場,廣泛應用於我們日常工作生活的各個角落。因此,隨著應用的增多,LED照明的價格/成本將可逐步趨向消費應用。Laurent Jenck預計,LED通用照明可望在5年內開始進入主流家庭應用。

世界各地的規範機構也在積極制定和發佈相關的LED照明能效規範。如美國“能源之星”的1.1版固態照明規範於2009年2月開始生效。這規範對聚光燈或戶外燈等不同產品的應用能效要求各不相同,並且包含功率因數要求。

以寬範圍、高能效及創新的驅動方案促進LED照明發展

由於LED照明應用前景廣闊,要促進它不斷發展,必須針對不同的LED照明應用選擇適合的驅動方案。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效矽方案供應商,提供寬範圍、高能效及創新和強固的LED照明方案。不論是電池供電應用,或是直接採用交流或直流線路供電的應用,安森美半導體均提供適合的高能效LED驅動器方案,如電感型及電荷泵型LED驅動器、開關穩壓器、高整合度照明管理IC (LMIC)、線性恆流驅動器(CCR)、功率因數校正(PFC) IC、高壓開關電源方案,以及豐富的MOSFET、整流器和其他分立產品及電路保護系列。

如在電池供電的行動設備背光應用中,可以採用不同的LED驅動技術,如線性電流驅動器、電感升壓型開關穩壓器、電荷泵型驅動器等。這幾種驅動技術各有其特點及要求,所以能配合客戶的需要為他們提供最適合其產品應用的LED驅動技術。如線性電流驅動器簡單易用,無開關雜訊,而且外部元件數量極少,但這種驅動器的正向電壓必須低於電池電壓,且能效與輸入電壓及LED正向電壓有關。電感升壓型開關穩壓器的LED串電流匹配度極佳,且在電池線路電壓範圍內具有極高能效,支持長串LED大功率/高壓工作。電荷泵型驅動器典型產品採用基於電容的開關拓撲結構,並整合線性驅動器用於緊密電流匹配,具有高開關頻率,外部元件數量極少。

而在汽車應用中,根據電流大小的不同,同樣需要採用不同的LED驅動器。例如,汽車領域的新趨勢是在電流常常只有數十毫安培(mA)的組合尾燈應用中,以線性恆流穩壓器來替代目前常用的電阻型驅動器。電阻型驅動方案簡單且成本低,但能效極低,還面臨高壓時大電流應力、LED編碼及熱失控等問題或挑戰。有鑒於此,安森美半導體推出了創新的雙端及三端型線性恆流穩壓器(CCR),它們採用安森美半導體正待通過專利的自偏置電晶體(SBT)技術,結合公司在工藝控制方面的專長,提供低成本優勢,支援寬電壓範圍,提供比電阻型驅動器更高的能效及較高的穩流精度,並更利於保護LED。

其他應用,如建築物照明中,同樣可以採用安森美半導體的高能效LED驅動方案,如CAT4103、CAT4109三通道線性恆流驅動器是高亮度RGB LED驅動器,應用於新興的高亮度、高視覺衝擊力LED建築物照明中的RGB LED圖元控制。而CAT4106是多通道升壓型LED驅動器,適合較大尺寸的通用LCD背光應用,能夠驅動多達40個白光LED,提供總計達6 W的LED輸出功率,並幫助設計人員提升背光能效至最高。此外,採用LED背光的大尺寸液晶電視日趨普及,其中尤以側光式LED背光為主,通常需要採用6個單串的LED光條(每串LED視為一個LED道)。現有6通道側光式LED電視中每個LED通道均含有專用驅動器IC、電感型DC-DC升壓轉換器及及開關。而安森美半導體應用於大尺寸側光式LED背光液晶電視的多通道線性LED驅動器CAT4026是一種高性價比方案,支持高數量的通道,能以單顆IC控制6個LED通道,能效目標範圍高於90%,能效典型值高達94%,且針對 LED開路和過多LED短路等故障條件提供保護。CAT4026的簡略應用示意圖參見圖2。


圖2:以安森美半導體CAT4026為基礎的大尺寸LED背光液晶電視多通道線性側光方案。

而在通用照明應用方面,不同功率應用同樣需要不同的LED驅動方案。如在低功率應用中,可以採用安森美半導體的NCL30000帶功率因數校正的離線式LED驅動器,相容TRIAC調光。這種驅動器直接驅動LED,並帶緊密的恆流輸出穩流;功率因數高於0.9,符合IEC C類諧波含量標準,超出“能源之星”的規範;處於5至15 W的低輸出功率電平時,能效高於80%,典型能效高於83%,非常適合這類通用照明應用。而在大功率的街道照明應用中,可以採用安森美半導體的NCP1607 PFC控制器加NCP1397諧振半橋控制器這樣的整體式方案,能效達92%-93%,並降低電磁干擾。

總結:

隨著LED在光亮度、能效及成本方面的全面改善,LED照明正從小尺寸行動設備背光、相機閃光、大型顯示器等專業細分應用進一步延伸,邁進汽車照明、較大LCD背光甚至通用照明市場,前景備受看好。瞄準這些應用的設計人員需要選擇高性能、高能效的LED照明驅動方案。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效矽方案供應商,提供豐富的高能效LED驅動器/穩壓器選擇,滿足不同細分應用、電流要求及功率等級的需求,並提供經過測試的高能效GreenPoint®參考設計,幫助設計人員縮短設計週期,加快產品上市進程。

供稿:安森美半導體

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