街道LED照明应用的高效电源、保护方案和智能控制

中心议题：
    * LED照明的超高效电源、保护方案、智能控制
解决方案：
    * 利用NCL30001来改造传统的两段式转换架构
    * 基于NCP1607和NCP1397的LED街灯电源方案
    * 利用LED电流旁路保护器来增强LED串可靠性
    * 构建联网的LED街灯智能控制系统

要在街道和区域照明应用中采用LED来替代HID并产生同等的光输出，就要求采用大阵列的LED。不同LED串的亮度需要保持一致，如果某个LED发生开路故障，可能造成整串LED关闭的后果，需要为LED串提供保护的方案。此外，要构建联网的智能化LED街灯控制系统，也需要采用适合的通信及线路驱动方案。

区域照明应用的功率一般高于40 W。根据应用条件或要求的不同，可以采用不同的电源方案来驱动LED阵列。

1）利用NCL30001来改造传统的两段式转换架构

有些区域照明应用场合要求提供带输入功率因数校正的隔离型稳压输出电压。这些应用通常采用两段式的电源转换架构，其中的升压功率因数校正(PFC)将交流输入线路电压转换及预稳压为直流400 V电压，然后提供电压给可以是任何适当拓扑结构的常规直流-直流(DC-DC)转换器(功率不超过150 W的应用中通常是反激转换器)。

我们能够采用一种更简单的方法来改进这种传统的两段式转换架构，使其成为一种集成功率因数校正和主转换器(即DC-DC转换器)的单段式架构。这种单段式架构提供具备显著的应用优势，因为无需使用大尺寸的升压电感、高压MOSFET、功率整流器和大电容。当然，这种单段式架构会带来某些方面的一些性能折衷，但却是一种高能效及高性价比的方案，适合于负载相对恒定的应用，如LED区域照明。

NCL30001就是一种单段式控制器，集成了功率因数校正和隔离型降压DC-DC转换电路，帮助减少元件数量、降低系统成本，支持更高的LED电源总体能效。NCL30001提供稳流恒流来直接驱动LED，省下了LED光条中集成的线性或DC-DC转换(参见图1)。

测试表明，在90至264 Vac输入电压条件下，基于NCL30001的LED电源提供高于85%的高能效，功率因数也高于0.9，并提供短路和过压保护。设计人员略微调整次级端控制电路中的电阻，就可以调节稳流电流及稳压电压，从而支持终端产品的具体应用要求。另值一提的是，虽然这种电源是设计旨在提供紧密稳流的固定电流，但也可以工作在恒定电压模式，因为其电流和电压根据NCS1002中集成的紧密稳压的2.5 V参考电压来稳流和稳压。

参看在线讲座：单段式高功率因数LED驱动器原理及TRIAC调光方案

2）基于NCP1607和NCP1397的超高能效大功率LED街灯电源方案

近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在功率电平相对较低(<50 W)时提供高于90%的能效，这个能效目标甚至比“能源之星”2.0版外部电源能效要求(功率不超过49 W时能效高于87%)更高。要达到这样高的能效，需要采用新的拓扑结构，如从反激拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。安森美半导体早已着手开发能用于LED驱动电源的高能效半桥解决方案，如NCP1396及其升级版NCP1397高性能谐振模式控制器。NCP1397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。基于NCP1607 PFC控制器和NCP1397双电感加单电容(LLC)半桥谐振控制器的LED电源方案(见图2)非常适合功率在50到300 W范围的高能效LED街道照明应用。



除了这些方案，设计人员还可以根据设计需求选择安森美半导体的其它LED电源方案，如NCP1607 PFC控制器+NCP1377准谐振控制器，或NCP1607+NCP1392/3等。

3）利用LED电流旁路保护器来增强LED串可靠性

如前所述，区域照明应用中通常会采用多串LED。虽然LED本身的可靠性很高，但如果LED串中的某个LED发生开路故障，那么整串LED就可能关闭，而街道照明等应用中就要避免这种状况，从而降低后期维护成本。有鉴于此，安森美半导体推出了NUD4700 LED电流旁路保护器(见图3)。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。   

4）构建联网的LED街灯智能控制系统

对于LED街道照明而言，可以在集中控制中心与街灯之间应用双向通信，构建完全联网的智能街道照明系统。这样，控制中心能够远程调节LED街灯的光输出，并因此降低街道照明网络的总能耗，并降低费用支出。另外，也可以在系统中集成环境光传感器，根据环境光的亮度来自动调节LED的光输出，从而帮助节能。

设计人员可以采用安森美半导体的AMIS-49587电力线载波(PLC)调制解调器、PLC线路驱动器NCS5650和诸如NOA1302这样的环境光传感器，基于电力线轻易地构建联网型LED街灯智能控制系统(参见图4)。其中，安森美半导体的环境光传感器包含的输出类型，如NOA1302和NOA1305提供的是数字输出，而NOA1211为模拟输出。这些光传感器的工作电流极低，在100流明光输出条件下分别仅为58 μA、550 μA和115 μA，因而对系统能效的影响极小。