LED电源驱动IC再升级

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 根据最新公布的美国“能源之星”等能效规范,LED照明产品既要增加能源效率,又要改善功率因数,并保证产品的可靠性。具体来讲,在提高效率与良好散热之间,LED照明产品必须致力提升效能,既使是在低功率或轻载时也是如此,功率因数校正(PFC)并不是只有在较高功率电平时才会要求,在相对较低的功率时(5W以上)也要求达到一定的功率因数。针对这一变化,LED照明相关厂商必须要采用更新的技术或电源拓扑架构及方案,才能满足全新的规范要求。尤其是在LED电源驱动方面,新型IC驱动产品正朝着高功率因数(PF)和低输出电流纹波(避免闪烁的问题)的方向发展,同时还需要满足更高的效率指标。

据有关数据显示,随着LED室内照明应用的兴起,目前AC/DC LED驱动IC已占到总体市场份额的七成左右,除了几家较知名的国际品牌之外,国内涉及AC/DC电源驱动IC设计、开发、生产的厂商就有30多家左右,市场已提前进入“红海”状态,特别是在中低端的小功率LED通用照明市场中,产品价格几乎起到决定性的作用,用户对上游LED电源驱动IC的性能和性价比也日益关注。而伴随着新一轮的革新,将有助于LED电源驱动行业自身的技术提升,从而进一步促进LED通用照明市场的普及应用。

提高集成度,降低系统成本

价格仍然是阻碍LED通用照明应用发展的主要因素之一。正如新绿科技股份有限公司总经理刘光华所说的:“LED照明的光源成本每年以20%至30%的速度下降,但驱动电源却只以每年5%至6%的速度下降,若此趋势不变,那么未来电源成本将超越光源成本,所以目前市场对LED驱动电源的首要诉求是——第一cost down,第二cost down,第三还是cost down,当务之急是驱动电源线路架构的创新,以及大幅降低组件的成本。”为了达到这一目的,在驱动IC部分,大部分厂商在产品开发上都是以提高芯片的集成度,将功率器件及其它外围器件尽量集成到IC中为主要思路,以简化外围器件的选型,协助降低整体LED驱动电源的成本。

安森美(ON Semiconductor)半导体照明市场技术行销经理林志彦介绍道:“当前LED电源驱动IC的一个重要发展方向是提高集成度、集成更多元器件/功能,包括提供高集成的照明管理集成电路(LMIC)。以安森美半导体的NCL30160高亮度LED驱动器为例,该器件集成50 mΩ MOSFET,配合提供高能效;还具有专用PWM调光引脚(DIM),配合宽范围的脉冲调光,开关频率达1.4MHz,能够使用小型外部元件,从而将方案的占用空间及成本降至最低。”

以数字控制技术为核心的电源管理IC供应商iWatt在近期推出了一系列新产品(如:iW3616、iW3617),其特殊之处在于采用了双极结型三极管(BJT)作为功率开关器件,以及SOT-23封装技术,因而提高了产品的功率因数(PF),降低了总谐波失真(THD),且具备优秀的调光兼容性,据介绍,新产品的效率提高了5至10%,与上一代产品相比总BOM成本降低了约20%。iWatt固态照明产品市场部总监Hubertus Notohamiprodjo表示道:“数字控制技术可以完成许多计算处理任务,而不必增加额外的元器件,所以iWatt解决方案可以在最少外部组件的条件下,实现LED 驱动所需的功能。iWatt将所有的关键功能包括保护性能等都集成在一个驱动IC内,大大简化了用户的设计工作,以利于节约产品的开发成本,而对于那些并不需要调光的细分市场,我们会提供优秀的单级高性能、高功率因数(PF)LED驱动器,并保持非常低的输出电流纹波。”

另外,Power Integrations公司的高级产品市场经理Andrew Smith也说道:“对于10 W A19灯泡设计来说,采用PI开发的LinkSwitch-PL IC实现的非隔离拓扑结构,可省去高成本的功率变压器,并将效率提升到92%以上。LinkSwitch-PL器件(和隔离式LinkSwitch-PH器件)具有极高的集成度,可大幅减少外围元件的数量,以A19设计(DER-322)为例,其所使用的元件数不足25个。”

应对灯具设计新变化

早期LED球泡灯和灯管的解决方案一般都是采用反激式转换器进行初次级隔离的单级或两级解决方案,但是为了满足提高效率、降低成本、提高输出功率和装入狭小空间的要求,如今的LED设计师们开始转向采用降压和降压-升压式拓扑结构的非隔离驱动器模式,并且在LED球泡灯和灯管的电路设计上正越来越多地出现这种转变。

与此同时,虽然在设计A19 60 W等效LED灯泡方面所遇到的问题已得到解决,但是以小的LED占板空间来替代100 W白炽灯泡仍面临重大的散热问题。另外,以T8灯管LED替代方案为例,传统LED T8灯管的发光角受限,暗区较大,驱动模块放在约1/2管高的体积内一般不会受到限制;但对于一些新型的LED T8灯管,由于增大了发光角度,使得驱动模块需要置入最高仅为8mm的灯管内,要求包括驱动IC芯片在内的电源模组要提供最小的方案尺寸。

这些新的设计变化需要LED电源驱动IC能够支持整体电源模块提供较高的转换效率和功率因数,并且在适应严格空间限制的同时,还要在高温环境下保持优良的稳定可靠性和散热性能。Smith表示:“为此,PI开发出来的LinkSwitch-PL IC是一种单级集成式PFC和CC转换器,可以在降压和降压-升压式拓扑结构中提供大于90%的效率,以及大于0.9的功率因数(PF)和低THD,以适应目前灯管和调光/非调光球泡灯的最新发展趋势。其次,PI所采用的单片技术将低压驱动器技术与一个730 VAC功率MOSFET相结合,使之足以适用于大部分照明应用,且具备全面的过压保护功能,使电路能够在出现浪涌电压的区域表现出较高的可靠性和稳定性。”

深圳市芯联半导体有限公司华南区销售总监盛军说道:“LED电源需要长时间在灯具高温环境中工作,据不完全统计,灯具内部温度一般在55-70摄氏度之间,考虑到外围器件的温度差异性,事实上LED电源对IC恒流控制模式的稳定性提出了更高的要求。首先,它要求提供较大的驱动能力,及较低的芯片工作电流,其次在较少外围器件的同时仍然具有优异的恒流控制性能。”

灵活、广泛的调光兼容性

根据对美国住宅照明市场的调查显示,在所有家居照明中有10-15%的灯泡接的是在线可调光电路,从已经安装的壁式调光器的数据可以预计,随着LED灯泡销量的逐步增长,可调光LED驱动器将接近或超过当前的市场份额。实际上,目前一些细分市场已经开始强调实现调光控制,他们要求LED产品具备良好的调光兼容性(如模拟及数字调光等),使得用户无需受到指定调光器的限制,尽量利用已有资源,节省开支,并且配合未来智能LED照明(如DALI数字技术等)的发展趋势。

对于许多LED驱动器供应商来说,要让LED驱动器与各种不同的切相式调光器实现兼容,是一件非常挑战的事情。通过开发出一套独特的数字控制器,目前iWatt公司已基本上解决这一问题,Notohamiprodjo说道:“我们可以在控制器内进行动态调整,从而克服了许多典型模拟控制器所不能解决的问题。该控制器的数字算法可准确侦测到所连接的切相式调光器的种类,快速地对调光做出响应,并且无频闪。另外,在典型的模拟电路解决方案中,当使用切相式调光器时,由于输入信号斩波的原因,输出的LED电流将产生非常高的纹波,造成严重的频闪,虽然人眼可能无法看到,但大脑仍会对此有反应,甚至引起头痛或其它疾病。对此,iWatt公司的解决方案是采用数字控制技术,将调光器的信号转换为高频的PWM输出电流,以避免波纹和闪烁。我们新的产品系列还提供多种调光控制接口,包括0到10V的模拟电路接口,以及DALI数字技术控制协议。”

林志彦也表示,在一些低功率AC-DC LED照明应用中,既要求高功率因数,又要求支持调光,如模拟、数字(PWM)或三端双向可控硅开关器件(TRIAC)调光等。“这些应用可以采用安森美半导体的NCL30000功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器,也可以采用LV5026/29系列高功率因数可调光LED驱动器。”林志彦介绍,“LV5026兼容TRIAC调光,既可以用于AC-DC非隔离型降压LED照明应用,也可以用于AC-DC隔离型反激LED照明应用,符合用户不同的应用需求。”

高电压低电流驱动兴起

另一个值得关注的是,一些厂商开始提供高电压低电流驱动(HVLED)模式的产品。高电压低电流驱动最重要的优势是在于能够协助降低电源转换器的直流损失,此外,也有厂商建议高电压低电流驱动最好采用非隔离式设计为宜。

聚积科技产品总监俞仲威认为:“当输出电压超过60V时,隔离式与非隔离式的安规距离要求是一样的,因此隔离式在安规距离设计上的优势已经消失,同时一般来说隔离架构需要用到变压器,会产生较大的铁芯损及涡流损, 效率会较差。而以10W方案来看, 在不特别选用元件的前提下,非隔离135V/80mA的效率可轻易超过90%,但是隔离350mA/30V的效率仅可勉强达到86%,这4%的效率差别中有约不到1.5%是由于电源转换器的直流损失所造成的,因此也可以从中看到非隔离架构在效率上的优势。”

“高电压技术正受到越来越多的重视,在控制器内整合高电压开关,以进一步减少外部组件将是一个重要的发展趋势。”Notohamiprodjo表示:“iWatt将计划采用最新的高电压LED技术,以提供更高的流明/瓦输出量,新产品将在今年年底推出。”

 

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