高能效AC-DC LED通用照明方案分析和应用
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在节能、环保及全球LED照明迅猛增长的趋势下，LED球泡灯等已几乎家喻户晓，而随着相关技术的进步，LED成本及性能水准已大幅提升。安森美半导体专注于运用在电源管理方案方面的专知和技术，克服固态照明的挑战，提供LED照明应用的完整方案，涵盖高低功率因数、隔离或者非隔离拓扑结构、调光以及非调光的应用等，并利用在工业应用的经验和专长，不断开拓新兴的智能照明市场，推出有线及无线通信系列产品(PLC 、KNX)、环境光及无源红外(PIR)传感器、以太网供电(PoE)控制器等，满足不同的应用需求，推动LED照明市场的发展和进步。本文将重点介绍安森美半导体近期于AC-DC通用照明新增的产品系列及智能照明方案。
针对筒灯、线性管/LED灯泡替代、电子控制装置、LED照明引擎及智能照明等要求高功率因数、低谐波失真的最高60 W功率的单段式设计应用，安森美半导体推出LED驱动器系列NCL30085、NCL30086、NCL30088，利用PFC初级端电流控制算法，当采用准谐振(QR)模式工作时提供高能效。以NCL30088为例，它支持隔离反激、降压-升压、单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑结构，功率因数(PF)典型值高于0.98，无需光耦，能单独从初级端实现精密稳流(精度典型值±2%)，提供线性前馈补偿，宽VCC范围支持宽正向电压应用，低启动电流典型值13 uA，可工作于-40℃至125℃的宽工作温度范围，基于负温度系数(NTC)的电流热反走可防止LED驱动器在恶劣环境下过热，并内置一系列强固的保护特性，包括：LED串开/短路保护、逐周期限流、输出二极管短路保护、VCC偏置电压和欠压保护、电流感测电阻短路保护及自动恢复或闩锁故障处理。而NCL30086“可智能调光”，支持以控制平均LED电流的单个输入进行模拟/数字脉宽调制(PWM)调光，与非调光的NCL30088相辅相成。
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图1：PFC初级端控制LED驱动器
NCL30088应用示例——高达20 W的降压-升压驱动器用于LED线性灯管
NCL30088作为降压-升压驱动器用于高达20 W的LED线性灯管时，交流输入电压范围90-305 Vac，正向电压范围90-180 Vdc，提供100 mA输出电流，PF大于0.98，总谐波失真(THD)典型值5%，能效高达91%。
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图2：NCL30088应用于LED线性灯管的评估板和能效测试值
NCL30085应用示例——达10 W的隔离型3步线性可调光驱动器用于灯具
NCL30085作为隔离型可调光驱动器用于灯具时，通过切换开关导通/关断提供3步对数调光：75%、25%、5%，交流输入电压范围90-265 Vac，正向电压范围14-28 Vdc，输出电流350 mA，功率因数大于0.98，THD典型值10%，能效高达85%。
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图3：NCL30085的评估板和3步调光图示
高功率因数反激式LED驱动器——NCL30060
为确保当工作在临界导电模式(CrM)时在宽范围输入电压和输出功率提供接近1的功率因数，安森美半导体推出高功率因数反激式LED驱动器NCL30060，该器件采用恒定导通时间的PWM控制方法，可支持大于50 W的功率范围。次级端反馈控制支持诸如隔离型1-10 V调光、宽正向电压范围或要求LED模块热反馈的应用，典型用于LED驱动器、光源和灯具及电子控制装置等中等功率单段式设计应用。NCL30060支持达700 V的高压启动，提供高功率因数及低THD，宽Vcc范围，提供直接的光耦反馈连接，集成12 V门极驱动钳位和自动恢复/闩锁故障选项等功能，并内置初级端过流、输出过压、绕组短路、输出整流器短路、输出短路、欠压等强固的故障保护。安森美半导体还为该器件提供辅助设计工具和支持，包括NCL30060LED1GEVB评估板、EVBUM2240/D评估板手册及基于Microsoft Excel的设计工具。评估板支持90-305 Vac的输入电压范围，10-41 V的正向输出电压范围，提供700 mA恒定的输出电流和高达25 W的输出功率，支持1-10 V或PWM调光，THD小于10%，能效高达88%。
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图4：NCL30060LED1GEVB评估板和@25 W时的性能表现
高功率因数低纹波两段LED驱动器——NCL30030
安森美半导体的NCL30030针对高棚灯、路灯和停车场照明、槽形灯具替代、高压气体放电灯(HID)替代、舞台灯光等大功率照明应用，高度集成CrM PFC及QR反激控制器：PFC段利用独特的乘法器结构提供低THD，而QR控制器利用专有谷底锁定系统提速，并随着功率减小降低开关频率，以提供高达90%的能效。可提供故障控制引脚用于可编程的热关断，且可使用专用引脚禁用PFC。NCL30030支持700 V高压启动，提供高达30 V的宽Vcc范围，内置强固的保护组合，可进行自动恢复故障处理。
安森美半导体为NCL30030提供 NCL30030LEDGEVB评估板，支持90-305 Vac的输入电压范围、60-210 V的正向输出电压范围、 700 mA的输出电流和高达150 W的输出功率。
智能照明
智能照明通过通信及传感技术，实现远程控制(导通或关断，调光或改变色彩)及监测(远程诊断)，从而以更少电能执行相同或更多任务，达到提升能效、节能的目的。
(一)通信
1.PLC调制解调器/电力线驱动器
电力线组成了全世界最大的铜基础设施，电力线通信(PLC)已成为用为主要通信及控制链路的符合逻辑的途径。使用PLC调制解调器可实现双向通信，以构成完全联网的智能系统。安森美半导体提供PLC调制解调器NCN49599、NCN49597用于智能电网、AMIS49587用于智能电表，以及功率放大器NCS5651用作驱动。
NCN49597基于ARMCortexM0内核微控制器(MCU)，同时支持AC及DC工作，每通道最大波特率达4.8k，支持A、B、C及D波段，且提供可编程软件，而NCN49599在NCN49597基础上还集成1.2 A、两段式功率放大器。AMIS-49587基于 ARM7 MCU，仅支持AC工作，每通道最大波特率为2.4k ，支持A、B波段。这些调制解调器都采用领先的扩频型频移键控(S- FSK)技术，嵌入MAC+PHY，提供极低能耗。
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图5. PLC调制解调器/电力线驱动器
2.KNX收发器
KNX是基于OSI的标准化(EN 50090, ISO/IEC 14543)网络通信协定，用于智能楼宇。KNX网络基于现有双绞线，使用KNX收发器来通信。KNX承接及融合了此前的三个标准：欧洲家用系统协定(EHS)、BatiBUS及欧洲安装总线(EIB或Instabus)，并支持EN50090欧洲标准、ISO/IEC14543-3国际标 准、GB/Z20965中国标准、ANSI/ASHRAE135美国标准等开放标准。
KNX收发器可连接电路及传感器，为建筑物内9600波特KNX双绞线(TP)总线提供温度及亮度控制，而TP总线可提供数据通信及电源。安森美半导体的KNX收发器NCN5120集成20 V稳压器和两路DC-DC转换器，提供3.3 V固定电压和3.3 V-21 V的调节电压，用于照明控制、遮光和百叶窗控制、供暖、通风、访问控制和远程控制，集成度高、物料单成本低。
(二)传感
1. 运动检测器无源红外控制器(PIR)
针对照明及占用情况传感市场，安森美半导体推出PIR NCS36000，可放大和调理源自PIR传感器的信号。该器件的工作电压为3.0 V— 5.75 V，集成低噪声双级放大器，并集成电压参考以驱动传感器，内部振荡器带外部电阻电容，支持单/双脉冲检测，数字滤波器可将故障告警减至最少，可直接驱动LED及继电器。客户可定制数字滤波和模拟工艺，灵活且物料单 (BOM)成本比可相比拟的分立元件方案更少，适用于配合宽范围的占用情况传感器。
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图6：运动检测器PIR
2. 环境光及距离传感器
安森美半导体提供NOA1212 、NOA1305环境光传感器及NOA3302环境光及距离传感器。该系列器件可根据EEPROM灵活定制，具0.0125流明检测，带可定制的滤波(即适光性光回应)，提供暗电流及温度补偿、最低的平均每分辨率位的能耗，其高速模式I2C接口在断电期间对总线工作没有任何影响。
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图7 ：环境光传感器
(三)以太网供电(PoE)控制器
安森美半导体提供NCP1080、NCP1081、NCP1082、NCP1083、NCP1090、NCP1091、NCP1092、NCP1093、NCP1094用于PoE应用，以NCP1083为例，它集成完全兼容的PoE和DC-DC控制器，可用于驱动LED灯，而LED灯可通过PoE远程控制。当以太网线缆上通电时，NCP1083支持正常的PoE工作。而在以太网线缆上没有通电时，这器件接受辅助电源输入，为应用供电。NCP1083符合IEEE 802.3at标准，支持达40 W稳压功率的扩展功率范围，峰值能效高达89%。
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图8：PoE控制器NCP1083
结语
安森美半导体持续推出新系列AC-DC通用照明方案以满足各类应用对尺寸、能效、功率因数、驱动电流等不同要求，并因应当前智能LED照明的发展潮流，提供领先的通信、传感器系列产品及方案，为工程师实现更节能环保的智能照明系统拓宽设计选择。
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