智能LED照明需要創新的管控和調光

前 言

照明對于我們的現代生活是至關重要的。無論它是用于照明住宅、辦公場所、公共建筑，還是用于提供安全保障或只是為了營造氛圍。事實上，典型建筑中約25%的能源是用于照明的，這使得它成為了地球上最重要的能源使用之一。加上白熾燈照明方案效率極低，能源成本正在以驚人的速度增加。很容易就會發現我們正浪費大量的世界資源，并為此付出高昂的代價。因此，各國政府正在尋求通過新的能源效率法規來管控照明，而LED等新技術正成為主流，有望節省高達40%用于照明的能源。

然而，隨著設計師和消費者開始尋求更高能效且創新的照明方案，因此需要開發更新的技術來滿足當前和未來的市場需求。為了最大限度地發揮其潛力，智能照明需要更復雜和創新的方法。安森美半導體致力解決照明行業有關高效的電源轉換和有效的調光等挑戰，同時尋求能夠提供更高能效以及具有其它優勢的下一代技術。

照明設計師面臨的挑戰

政府加強管控和消費者的需求，使得現代照明設計師所面臨的挑戰越來越大。能源之星和歐盟委員會等機構關注的不僅僅是電子設備(包括照明)的能效，還關注其待機功耗，因為這可能會是長時間內重要的能源消耗來源。在智能照明方案下，這一挑戰變得更加棘手，由于電源必須保持“開機”狀態，以搜尋控制器發出的信號，因此不斷地在汲取電流。目前，能源之星規定允許的待機功耗為0.5 W，但加州能源委員會(CEC)等機構計劃在2019年之前將這一數字降至0.2 W，這將進一步升級挑戰。

隨著照明從白熾燈轉向LED技術，調光方面也發生了改變，更為復雜的脈寬調制(PWM)技術正在逐漸取代簡單的電阻式或基于TRIAC的調光，這要求設計師采用不同的方法。

LED是一種低電壓技術，這意味著它們無法像白熾燈那樣直接由市電驅動，而是需要一個電源，根據該LED應用提供恒定電壓(CV)或恒定電流(CC)供電。電源對照明解決方案的整體性能和能效具有實質性的影響，因此至少需要像LED本身一樣接受嚴格的審查。

目前市場上有許多不同的照明解決方案，功率從幾瓦到幾百瓦不等。因此，其驅動電源的設計方式也是多種多樣的。在較低功率水平下(通常低于10 W)，單級轉換拓撲是最受歡迎的方案。

由于多功能固態照明的應用越來越廣泛，因此LED和與之相關的電源所占空間也被擠壓得越來越小，這就意味著效率至關重要，從而能夠使余熱的產生降至最低，并且能夠在較小且通常密閉的空間中可靠地安裝、運行照明方案。

LED照明方案迅速發展的一個重要原因是LED本身價格的下降。因此，安裝人員和消費者不僅僅希望LED電源可以在更小的空間內實現更優的性能，也期待看到類似的價格下調 (這意味著設計人員需要減少元件數量，并降低整體BoM成本)。

現代化的照明電源轉換方式

25～100 W范圍內且適用于辦公室、工廠和住宅的照明是快速增長的市場領域之一，其中雙段式方法是最常見的解決方案。在許多應用中，都會采用反激式功率因數校正器(PFC)且配備降壓型DC-DC轉換器形式的電源。

圖1 雙段式轉換是中等功率照明解決方案中常用的方法

該方法尤其適用于有調光需求的解決方案。它還能夠在待機模式下輕松關閉LED，并能夠對多個LED串進行簡單地控制，以獲得更加復雜的照明解決方案。

安森美半導體近期推出了針對此類應用的集成方案，能夠采用兩個IC產品和少量外部元件來設計高性能的照明電源。

FL7740是一款單段式CV初級端調節(PSR)控制器，可通過內置動態功能(包括快速響應時間)進行CV調節(±3%)，能夠將線路和負載瞬變引起的過沖和下沖最大限度地降低至輸出電壓的10%以內。

圖2 FL7740是用于照明應用的單段式初級端控制器

該控制器支持80 V AC至382 V AC的通用寬范圍交流輸入，適用于全球任何地方的市電供電應用。它能夠提供高達100 W的功率，而在待機模式下的功耗僅為0.15 W—輕松超越了所有的監管要求。同時，還實現了對智能照明解決方案至關重要的“持續開機”運行。

內置的PFC級在滿載時能夠達到>0.9，且THD<10%。在半載的情況下，使用可選的PF優化器，而0.9 PF這一數值保持不變。這就確保了在較寬的負載范圍內能夠將輸入干擾維持在最低水平，從而使FL7740得以廣泛應用。

這一先進的控制器包括了一系列對于照明系統安全運行至關重要的保護功能：過載保護、輸出二極管短路保護、感應電阻短路/開路保護，以及VDD和VS過壓保護。

以連續電流模式(CCM)運行的FL7760降壓(Buck)控制器提供第二級轉換。該器件可在8～60 V寬電壓輸入范圍內運行，同時支持寬模擬和PWM調光，且功耗僅為150 μA。

重要的是，FL7760的PWM調光可覆蓋1～100%的全部輸出范圍，盡管某些運行條件下，由于PWM的工作頻率可能會出現不理想的頻閃和可聞噪聲。模擬調光范圍為5～100%，相較于當前通常僅能達到的15～100%，這可謂是現有技術的一個顯著提升。一般來說，模擬調光受到青睞是因為它沒有PWM的缺陷，而FL7760使其首次成為可行的選擇。

圖3 FL7760是一款寬輸入范圍的降壓控制器，具有寬范圍調光能力

低于模擬閾值5%的調光的顯著優勢之一在于FL7760能夠將模擬和PWM相結合，提供混合調光，無縫結合了這兩種方式，從而能夠提供全范圍調光功能，而不存在頻閃和可聞噪聲問題。與FL7740一樣，FL7760還提供多種保護功能，包括熱關斷和過流保護。

總 結