led区域照明驱动架构与典型设计 从应用领域来看，照明涵盖住宅照明、工业照明、街道照明和餐厅、零售及服务业照明等不同类别。而从功率等级来看，除了低功率照明，也包括大功率区域照明，典型应用如柱灯、洗墙灯、外墙灯、隧道照明、街灯、停车场及公共安全照明、工业及零售照明等室外照明，以及低顶灯、高顶灯、冻柜/冰箱及停车库等室内照明。
大功率区域照明存在不少挑战，如灯具可能难以接近、光源发生故障时可能带来安全问题、户外存在多种极端环境条件等。此外，不容忽视的是，应用于大功率区域照明的现有光源(如金属卤素灯、高压钠灯、线性荧光灯及紧凑型荧光灯)存在着不少局限，如高压钠灯的显色性差(cri约为 22)，金属卤素灯的典型灯具损耗较高(40%)且其从启动到发光至完整亮度经历的时间可能长达10分钟，线性荧光灯的冷温度性能差，紧凑型荧光灯的启动速度也较慢。
另一方面，随着高亮度白光发光二极管(led) 在性能和成本等方面持续改进，越来越多地用于大功率区域照明，并提供传统光源不具备的优势，如发出每流明光所消耗的电能更少、方向控制性更好、色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度;此外，led的可靠性也更佳，利于降低维护成本及总体拥有成本。
一、led区域照明应用要求
led驱动器的主要功能就是在多种条件下限流，并要保护led免受浪涌及其它故障条件影响，以及提供某种等级的安全性，避免(电气和/或机械方式的)震动及着火。对于区域照明应用而言，室外环境会给led驱动器带来温度挑战，且可能需要承受277 vac、347 vac或者甚至480 vac等比标准电压更高的交流输入电压。
区域照明应用的led驱动器可能还需要符合某些有关功率因数或谐波含量的规范标准。如欧盟的国际电工联盟(iec)的iec61000-3-2标准对功率超过25 w的照明设备(c类)的谐波含量提出了要求，相当于总谐波失真(thd)低于35%;但符合iec61000-3-2 c类谐波含量要求并不必然表示功率因数(pf)高于0.9。而某些市场(如美国)通常要求pf高于0.9及thd低于20%。
很多区域照明应用都在室外，可能会经受各种严格温度条件，从而使总体使用寿命受到影响。而总体系统设计对使用寿命有重要影响，故使用内部发热较少、损耗更低的高能效led驱动器非常重要，而且在设计中要对驱动器与led热源进行热隔离，从而增强系统可靠性。
led照明的控制也可以变得更加智能化。传统街灯以定时器或环境光传感器来自主控制。而利用电力线通信(plc)或无线控制技术，可以提供高度灵活的led区域照明控制，如基于时间的光输出等级集中控制、基于车流量传感器的发光等级控制，以及根据检测人、车活动来调控市中心照明，兼顾步行车及街道照明。led智能控制技术在节省电能之余，还不会损及安全性。典型应用有如智能双亮度等级照明，如公园、加油站顶棚、停车场所、楼梯及电冰箱箱体照明都支持根据需要来调整亮度等级的照明。led能够即时导通及关闭，能够在这些应用中方便地根据动作或活动来调节照明等级，如在未检测到活动时提供20%-40%的亮度等级，而在检测到活动时提供100%亮度的照明。这样就利于大量节省额外的电能消耗。
二、led区域照明电源架构及典型led驱动方案
1)适合线性灯、线槽灯等应用的分布式/模块化方案
大功率led区域照明应用中，一种常见的电源架构是“功率因数校正(pfc)+恒压(cv)+恒流(cc)”的三段式架构。这种架构中，交流输入电源经过功率因数校正和隔离型直流-直流(dc-dc)转换后，输出24至80 vdc的固定电压，提供给后面内置dc-dc降压转换电路的恒流led模块(见图2)。这种架构的设计提供了能够现场升级的模块化途径，可根据实际需求，灵活改变led光条数量，从而增加或减小光输出，满足具体区域照明应用要求。这种架构下，交流-直流(ac-dc)转换与led驱动电路并未集成在一起，而是采用分布式配置，既简化安全考虑又增强系统灵活性，也称作分布式方案，典型应用包括线性灯及线槽灯等。
图1 典型的模块化led区域照明电源架构示意图
在这种模块化途径下，一项设计能够扩展用于多种光输出等级。而且随着led光输出性能增强，led模块要提供相同光输出等级，所需采用的灯条就更好。而每个灯条都设有一个专用的dc-dc led驱动器，如可以采用安森美半导体的cat4201高能效降压led驱动器。cat4201专门优化用于驱动大电流led，采用具有专利的开关控制算法，提供高能效及精确的led稳流(可达350 ma)。cat4201可采用最高36 v的电源电压供电，并兼容于12 v和24 v标准照明系统。图3显示的是cat4201的高压led驱动器配置，外围的n沟道mosfet支持高压输入：100 v输入电压时led功率达30 w;50 v输入时led功率达13 w。
图2 cat4201高压led驱动器配置
2)适合洗墙灯、外墙灯等应用的整体式/单段式方案
并不是所有的区域照明应用都要求采用分布式/模块化方案。随着白光led性能的快速提升，新型led已经可以配合新的led驱动器设计方法。领先的led制造商已经推出支持更大电流及具备更高发光性能的新型led，如cree的 xp-g系列led(正向压降为3.3 v)在1 a电流时可提供330流明光输出，seoul semiconductor的p7系列led(正向压降为3.3 v)在1.4 a时可提供400 流明光输出。在这种条件下，可以配置新颖的led驱动器来直接驱动1 a到3 a的大电流。例如，可以采用安森美半导体的ncl30001功率因数校正triac可调光led驱动器。
ncl30001是一种整体式 /单段式的led驱动方案，这种方案集成了pfc和隔离型dc-dc转换电路，并提供恒定电流来直接驱动led。这种方案相当于将ac-dc转换与led 驱动两部分电路整合在一起，均位于照明灯具内，省下了led光条中集成的线性或dc-dc转换器。这种整体式方案的电源转换段更少，减少元器件使用数量 (如光学元件、led、电子元件及印制电路板等)、降低系统成本，并支持更高的led电源总体能效。当然，这种方案的功率密度更高，可能并不适合所有区域照明应用，其光学图案可能更适合较低功率的led，典型应用包括led街灯、外墙灯、洗墙灯及电冰箱箱体照明等。
图3 基于ncl30001 led驱动器和ncs1002控制器的90 w led驱动器演示板电路
这90 w恒压恒流演示板接受90至265 vac的扩展通用输入电压(更换元件条件下可支持305 vac)，提供0.7 a至1.5 a的恒定电流输出范围(可通过微幅调节电阻来选择)及30 v至55 v的恒定输出电压范围(可通过电阻分压器来选择)，最大输出功率90 w，支持50至1，000 hz调光控制，并包含可连接至可选调光卡的6引脚接口，用于模拟电流调节/双亮度等级数字调光等智能调光应用。此外，这演示板还提供短路保护、开路保护、过温保护、过流保护及过压保护等丰富保护特性。测试显示，这演示板在50 w输出功率、1，000 ma输出电压/48 v正向压降条件的能效高于87%(详见表1)，在50%至100%负载条件下功率因数高于0.9，同时符合iec61000-3-2 c类设备谐波含量标准。
图4 基于ncl30001和ncs1002的90 w led驱动器演示板能效测试结果
3)用于更大功率区域照明应用的高能效llc拓扑结构驱动电源
近年来，业界对超高能效的led照明拓扑结构兴趣日浓，期望在更大功率的50 w至250 w led区域照明应用中提供高能效(如高于90%)。要提供这样高的能效，需要采用高能效的电源拓扑结构，如谐振半桥双电感加单电容(llc)拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(zvs)的优势。
在这类要求超高能效的更大功率led区域照明应用中，可以结合采用安森美半导体的ncp1607 pfc控制器和ncp1397双电感加单电容(llc)半桥谐振控制器，用于功率在50到300 w范围的高能效led街道照明应用。ncp1397是最新高性能谐振模式llc控制器，集成了600 v高压浮动驱动器，支持50到500 khz的高频工作，内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。
图5 基于ncp1607和ncp1397的街道照明高能效led电源方案
三、增强led串可靠性的保护方案
区域照明应用中通常会采用多串led。虽然led本身可靠性高，但若led串中的某个led开路，那么整串led就可能关闭，而街道照明等应用中要避免这种状况，从而降低后期维护成本。安森美半导体推出了nud4700 led电流旁路保护器。这器件是一款分流器件，万一led串中某个led开路，则会提供电流旁路，确保在某个led故障的条件下整串led不会关闭;而且恰当处理散热的话，还可支持大于1 a的大电流。