基于LED通用照明的AC-DC電源設計方案

LED通用照明設計工程師會遇到許多挑戰(zhàn)，如功率密度、功率因數(shù)校正(PFC)、空間受限和可靠性等。這些LED照明設計挑戰(zhàn)和電源設計挑戰(zhàn)類似，具體講，LED通用照明有以下幾個挑戰(zhàn)：由于總光效要求及散熱限制的影響，即使是低功率應用能效也很重要;在許多情況下，較低功率也要求功率因數(shù)校正和諧波處理;在空間受限應用中，特別是替代燈泡應用時，對驅(qū)動功率密度的要求很高;總體電源可靠性對提高整個燈的壽命非常重要;寬輸入電源電壓范圍應該支持高達277 Vac;兼容TRIAC調(diào)光等傳統(tǒng)特定照明要求。

本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源設計方案及相關(guān)電路，幫助工程師應對上述挑戰(zhàn)，設計出滿足通用照明要求的產(chǎn)品。下面我們先來了解AC-DC電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)。

AC-DC電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)比較

對于低功率AC-DC LED 電源轉(zhuǎn)換而言，可以選擇隔離型反激或非隔離降壓等不同拓撲結(jié)構(gòu)。所謂“隔離”,是指輸入與輸出之間采用變壓器等進行電氣隔離。這兩種拓撲結(jié)構(gòu)各有其特點。相比較而言，非隔離拓撲結(jié)構(gòu)設計及電路板配置簡單、電路板尺寸小、元件數(shù)量少、能效更高，而隔離拓撲結(jié)構(gòu)易于滿足安規(guī)要求，但磁學設計復雜，要求較大的電路板尺寸。本文將聚集于隔離型拓撲結(jié)構(gòu)的AC-DC LED驅(qū)動器方案。

LED驅(qū)動器應用要求

對于LED通用照明應用而言，目前成本還相對較高，故高性比的LED驅(qū)動器無疑會更受青睞。此外，LED驅(qū)動器也應該具有高能效(低損耗)、高可靠性、符合電磁干擾(EMI) 及諧波含量或功率因數(shù)(PF)等標準、靈活、適應寬環(huán)境條件、可改造用于已有應用、支持傳統(tǒng)控制方式工作(兼容傳統(tǒng)調(diào)光)等。

其中，就功率因數(shù)要求而言，美國“能源之星”項目固態(tài)照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級)，適用于特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈等。該標準針對住宅應用部分要求功率因數(shù)高于0.7,針對商業(yè)應用部分要求功率因數(shù)高于0.9,而整體式LED燈泡的要求是輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)大于0.7.當然，并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數(shù)，但某些應用可能有這方面的要求。例如，公用事業(yè)機構(gòu)可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設施中的商業(yè)應用。

提供高功率因數(shù)的NCL30000隔離型LED驅(qū)動器方案

要提供高功率因數(shù)，同時符合其它應用要求，就有必要使用高功率因數(shù)的電路架構(gòu)。這樣一來，傳統(tǒng)的兩段式架構(gòu)(PFC升壓+脈寬調(diào)制(PWM)反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。有利的是，諸如安森美半導體NCL30000功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動器采用單段式架構(gòu)(見圖1)，可以提供達0.9甚至更高的功率因數(shù)。這器件采用緊湊的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓撲結(jié)構(gòu)提供大于0.95的高功率因數(shù)，省下專門的DC-DC轉(zhuǎn)換電源段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本。

圖1 傳統(tǒng)兩段式架構(gòu)與改進的單段式架構(gòu)對比

NCL30000 采用的恒定導通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應用，因為控制塬理簡單，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效。NCL30000工作溫度范圍為-40至+125℃，確保能用于大多數(shù)LED通用照明應用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設計。這器件也集成前沿消隱(LEB)電路，防止故障觸發(fā)，還集成強固的故障處理能力。

圖2 基于NCL30000的隔離型反激LED驅(qū)動器GreenPoint參考設計簡化框圖

配合TRIAC調(diào)光

除了要提供相關(guān)規(guī)范標準所要求的高能效及高功率因數(shù)，考慮特定的終端應用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調(diào)控方法是叁端雙向可控硅開關(guān)器件 (TRIAC)調(diào)光。但TRIAC調(diào)光器塬本針對電阻型負載的白熾燈(白熾燈在電路中的作用就象是電阻)。因此，LED 驅(qū)動器兼容TRIAC調(diào)光器也很重要，這樣有利于用戶沿用已有壁式TRIAC調(diào)光器，節(jié)省支出。

圖3 NCL30000調(diào)光性能演示(通過改變調(diào)光器位置來在350 mA至1.7 mA之間調(diào)光)

有利的是，NCL30000兼容尾沿晶體管調(diào)光器及前沿TRIAC調(diào)光器，能夠提供高于0.95的高功率因數(shù)，使輸入電流波形看上去像是電阻型負載的波形，而這對兼容TRIAC調(diào)光器非常重要，因為用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設計的NCL30000單段式CrM反激LED驅(qū)動器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相(參見圖3)。

演示板能效測試結(jié)果

安森美半導體基于NCL30000開發(fā)了目標功率低于18 W、支持4至15顆LED350 mA且支持TRIAC調(diào)光(針對12顆LED進行預配置)的參考設計演示電路板。輸入電壓范圍為90至305 Vac的NCL30000演示電路板的能效測試結(jié)果顯示，寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)達到或超過0.95,且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩(wěn)流效果和高能效。

圖4 演示板測量能效結(jié)果

應用示例

對于LED照明應用而言，燈泡替代是重要的應用領(lǐng)域，如拋物形滲鋁反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型燈替代(如A19)等。但燈泡替代應用存在獨特挑戰(zhàn)，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。

圖5 NCL30000的11 W LED PAR30燈泡改造示例

以 PAR30燈泡替代應用為例，AND8463/D 介紹了如何使用NCL30000單段式功率因數(shù)校正隔離型反激控制器來設計LED PAR30燈的完整電源轉(zhuǎn)換方案，用于驅(qū)動串聯(lián)-并聯(lián)配置的3串共24顆LED(每串8顆LED,每串電流150 mA,3串共450 mA)。這參考設計使用市場上購得的LED散熱片和E27 Edison底座，有效處理散熱及尺寸受限問題。此設計的目標輸出功率為11 W,包含115 Vac版本(功率因數(shù)高于0.9,輸入電流THD《20%)和230 Vac(遵從IEC61000-3-2規(guī)范)兩種版本，LED電流穩(wěn)流精度達±5%,LED電壓范圍21至27 Vdc,能效高于82%,兼容TRIAC及電子低壓調(diào)光器調(diào)光，且遵從FCC B類導電型EMI標準。

PAR30燈泡是特定指向照明的一個示例。現(xiàn)實中也存在許多全向照明應用，如A型燈。LED A型燈以標準A型燈尺寸來替代傳統(tǒng)A型白熾燈，是商業(yè)及住宅照明應用的極佳節(jié)能替代解決方案，不僅更環(huán)保，而且更易于維護和替代。傳統(tǒng)白熾燈存在不同功率等級，如40 W(光輸出約450 lm)或60 W(光輸出約600至800 lm)。如今一流的暖白光LED的光效處在100 lm/W范圍內(nèi)?？紤]到熱效應及光電轉(zhuǎn)換效率，要提供450 lm光輸出，大約需要5至7顆LED.安森美半導體目前正在開發(fā)應用于LED A型燈的NCL30000 TRIAC可調(diào)光方案。

圖6 NCP1607的高功率因數(shù)A19燈泡E26/E27驅(qū)動器

有利的是，此方案是基于臨界導電模式功率因數(shù)校正控制器NCP1607開發(fā)出了A19燈泡LED驅(qū)動器設計(見圖6)。這設計的輸入電壓范圍為90至265 Vac,額定輸出功率約為6.4 W(16.5 @ 400 mA)，采用隔離型單段式設計，在輸入電壓范圍內(nèi)功率因數(shù)高于0.9,能效高于80%,符合IEC61000-3-2 C類諧波含量標準(輸入THD《15%)，遵從FCC B類導電型輻射標準，設計時就顧及到了符合UL8750安規(guī)，并符合“能源之星”針對整體式LED燈泡的1.1版規(guī)范要求。

設計方案

對用于LED照明的AC-DC電源設計方案，1至10 W的照明應用中推薦使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,這些方案集成了MOS管，適用于隔離和非隔離應用，支持次級PWM調(diào)光、模擬調(diào)光或雙亮度等級調(diào)光，能效高達75-80%;1至30 W的應用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔離方案，典型能效85%左右;1至40 W推薦使用NCL30000,可進行初級可控硅調(diào)光，適用于隔離和非隔離方案，隔離方案能效80-85%.40至150 W推薦使用NCL30001,它是一個連續(xù)導電模式(CCM)控制芯片，隔離方案的典型能效85-90%;更大功率推薦使用NCL30051.下圖7是這些方案輸出功率與能效的對比。以下將具體介紹這些方案的功能和特點。

圖7:LED照明的AC-DC電源方案輸出功率與效率的對比

總結(jié)

本文圍繞低功率AC-DC LED通用照明應用，著重分析了隔離型LED驅(qū)動器的應用設計方案，相應的介紹了單段式隔離型高功率因數(shù)LED驅(qū)動器方案NCL30000, 并分析了NCL30000如何配合相關(guān)要求，如支持TRIAC調(diào)光、提供高能效、恰當散熱及符合相關(guān)能效規(guī)范標準，并利用在高能效電源及封裝方面的核心專長及優(yōu)勢，為LED照明應用，特別是通用照明提供了符合各種規(guī)范要求控制和驅(qū)動器件。這些方案采用獨特的LED驅(qū)動電源架構(gòu)、模擬及調(diào)光技術(shù)、反激轉(zhuǎn)換器及非隔離拓撲結(jié)構(gòu)，配合廣泛的應用范圍，為實現(xiàn)各種通用照明設備提供更多的選擇。