符合“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)的離線型LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程
較高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小變壓器尺寸，但同時(shí)會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。本參考設(shè)計(jì)選擇了100 kHz版本的NCP1014作為平衡點(diǎn)。這個(gè)單片轉(zhuǎn)換器的能效預(yù)計(jì)約為75%，因此，要提供8 W輸出功率，預(yù)計(jì)需要10.6 W的輸入功率。輸入工作電壓范圍是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)電路，藉減少元件數(shù)量簡(jiǎn)化了啟動(dòng)。這集成控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區(qū)域會(huì)散熱并降溫。當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，反激變壓器上的偏置繞組會(huì)關(guān)閉DSS，降低轉(zhuǎn)換器的功耗。較低的工作溫度使更多的電能可以提供給負(fù)載。

1)電磁干擾(EMI)濾波器
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器從輸入源消耗脈沖電流。有關(guān)諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成，可以削弱不良信號(hào)。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓呈90的異相電流導(dǎo)通，這種轉(zhuǎn)移電流通過(guò)位移輸入電壓與電流之間的相位降低了功率因數(shù)，故需要在濾波需求與維持高功率因數(shù)之間取得平衡。

根據(jù)電磁干擾的屬性及濾波器元件的復(fù)雜特性，電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用于提供L-C濾波器頻率，約為開(kāi)關(guān)頻率的1/10。所使用的電感值是：

實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇的是2.7 mH電感，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感值?；谶@個(gè)起點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)濾波器以符合傳導(dǎo)干擾限制。電容C2增加到了220 nF，從而提供干擾限制余量。電阻R1限制浪涌電流，并在出現(xiàn)故障時(shí)提供易熔元件。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，可能需要熔絲來(lái)滿足安全要求。注意在初級(jí)總電容較小的情況下浪涌電流較小。

2)初級(jí)鉗位
二極管D5、電容C3和電阻R2組成鉗位網(wǎng)絡(luò)，控制由反激變壓器泄漏電感造成的電壓尖峰。D5應(yīng)當(dāng)是一個(gè)快速恢復(fù)器件，額定用于應(yīng)對(duì)峰值輸入電壓及反射到變壓器初級(jí)上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復(fù)二極管是D5的適宜選擇。電容C3必須吸收泄漏的能量，同時(shí)電壓只有極小的增加，1.5 nF的電容足以用于這類低功率應(yīng)用。電阻R3必須耗散泄漏的能量，但并不必須會(huì)降低能效。該電阻根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇47 kΩ。需要注意的是，該電阻和電容C3的額定電壓是125.5 V。

3)偏置電源
二極管D6對(duì)偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時(shí)額定電壓為100 V的MMBD914二極管是D6的適宜選擇。初級(jí)偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來(lái)濾波。選擇的C5為2.2 µF，C4為0.1 µF，R3為1.5 kΩ。

4)輸出整流器
輸出整流器必須承受遠(yuǎn)高于630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V，整流器峰值電壓為93.2 V。所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320，提供低正向壓降及快開(kāi)關(guān)時(shí)間。2,000 µF的電容將輸出紋波電流限制在25%，或是峰-峰值144 mA。

5)電流控制
通過(guò)監(jiān)測(cè)與輸出串聯(lián)的感測(cè)電阻RSENSE的壓降，維持恒定的電流輸出。電阻R11連接感測(cè)電阻至通用PNP晶體管Q1的基極-射極結(jié)。當(dāng)感測(cè)電阻上的壓降約為0.6 V時(shí)，流過(guò)R11的電流偏置Q1，使其導(dǎo)通。Q1決定了流過(guò)光耦合器U2的LED的電流，并受電阻R4限制。光耦合器U2的晶體管為NCP1014提供反饋電流，控制著輸出電流。

設(shè)定輸出電流Iout=630 mA則要求感測(cè)電阻RSENSE=0.85 Ω。感測(cè)電阻由4顆并聯(lián)的元件R6、R7、R8和R9組成，選擇R6和R7的阻值為1.8 Ω，選擇R8的阻值為10 Ω，而讓R9開(kāi)路，從而產(chǎn)生約0.83 Ω的總感測(cè)電阻。

6)功率因數(shù)控制
在本電路中維持高功率因數(shù)有賴于緩慢的反饋?lái)憫?yīng)時(shí)間，僅支持給定輸入電源半周期內(nèi)反饋電平略有改變。對(duì)于這種電流模式的控制器件而言，最大峰值電流在半周期內(nèi)幾乎保持恒定。與傳統(tǒng)反饋系統(tǒng)相比，這就改善了功率因數(shù)。電容C6提供慢速的環(huán)路響應(yīng)，抑制NCP1014的內(nèi)部18 kΩ上拉電阻及來(lái)自反饋光耦合器晶體管的電流。從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電容C6確定在22 µF至47 µF的范圍之間。

7)變壓器
本LED驅(qū)動(dòng)器要求的最低輸入電壓為90 Vac，相應(yīng)的峰值為126 Vac，在輸出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的條件下，計(jì)算出的峰值電流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的開(kāi)關(guān)頻率(fSW)值，計(jì)算出初級(jí)電感(Ip)=1858 µH。

這個(gè)功率等級(jí)適合選擇窗口面積(Ac)為0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度設(shè)定為3 kG，可以計(jì)算出的初級(jí)匝數(shù)為105匝(T)。輸出電壓限制為22 V，用于開(kāi)路負(fù)載事件下的保護(hù)。為了提供一些輸出電壓余量及降低占空比，輸出電壓值增加50%，達(dá)到33 V。次級(jí)最小匝數(shù)(Ns)將是約20匝。

NCP1014需要最低8.1 V的電壓，使轉(zhuǎn)換器工作時(shí)DSS功能免于激活。最低LED電壓設(shè)計(jì)為12.5 V，初級(jí)偏置繞組匝數(shù)(Nb)約為13匝。

8)開(kāi)路保護(hù)
齊納二極管提供開(kāi)路負(fù)載保護(hù)。開(kāi)路電壓由二極管D8電壓、電阻R4壓降及光耦合器LED電壓之和確定。所選擇的齊納二極管D8的額定電壓為18 V。

9)泄漏電阻器及濾波器
電阻R10及電容C10提供小型的放電通道，并過(guò)濾輸出噪聲。

10)模擬調(diào)光
本參考設(shè)計(jì)包含一個(gè)可選的控制部分，以實(shí)現(xiàn)模擬電流調(diào)節(jié)的調(diào)光。出于這個(gè)目的，可以增加電阻R12、R14、R15、二極管D9、晶體管Q2等元器件從及至電位計(jì)R13的連接。本設(shè)計(jì)所選擇的電阻R12的阻值為1 kΩ，調(diào)光電位計(jì)R13為10 kΩ，R14為820 Ω，R15為1 kΩ。

11)電容壽命
LED照明的其中一項(xiàng)考慮因素是驅(qū)動(dòng)器與LED應(yīng)當(dāng)具有相當(dāng)?shù)墓ぷ鲏勖ｋm然影響電源可靠性的因素眾多，但電解電容對(duì)任何電子電路的整體可靠性至關(guān)重要。有必要分析本應(yīng)用中的電容，并選擇恰當(dāng)電解電容，從而提供較長(zhǎng)的工作壽命。電解電容的可用壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及內(nèi)部溫升影響。本參考設(shè)計(jì)選擇的電容是松下的ECA-1EM102，額定值為1000 µF、25 V、850 mA、2,000小時(shí)及85℃。在假定50℃環(huán)境溫度條件下，這電容的可用壽命超過(guò)12萬(wàn)小時(shí)。

測(cè)試結(jié)果
相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)是NCP1014LEDGTGEVB評(píng)估板在負(fù)載為4顆LED、工作電流約為630 mA條件下測(cè)得的，除非另行有說(shuō)明。圖3及圖4是不同條件下的能效測(cè)量數(shù)據(jù)。圖5顯示的是不同線路電壓條件下的功率因數(shù)。需要指出的是，輸入電壓在90 Vac至135 Vac范圍內(nèi)時(shí)，功率因數(shù)高于0.8，遠(yuǎn)高于“能源之星”的LED住宅照明應(yīng)用功率因數(shù)要求。

總結(jié)：
“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)為固態(tài)照明提供了量化要求，使LED驅(qū)動(dòng)器面臨一些新的要求，如功率因數(shù)校正。這就要求新穎的解決方案來(lái)滿足這些要求，同時(shí)還不會(huì)增加電路復(fù)雜性及成本。本文結(jié)合優(yōu)化的NCP1014LEDGTGEVB評(píng)估板，介紹了安森美半導(dǎo)體的離線型8 W LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)背景、解決方案及設(shè)計(jì)過(guò)程，并分享了相關(guān)能效及功率因數(shù)測(cè)試結(jié)果，顯示這參考設(shè)計(jì)提供較高的能效，符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)要求，非常適合這類低功率LED照明應(yīng)用。