基于TRIAC調(diào)光的綠色LED驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)

據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)全球消耗的電能中有19%是用于照明。因此，近年來，世界各國紛紛致力于以更高能效的方案來替代低能效的白熾燈光源。而隨著發(fā)光二極管(LED)在流明輸出及光效方面持續(xù)快速進(jìn)步，同時(shí)，平均每流明光輸出的成本也在下降，再結(jié)合LED在高指向性、長壽命和低維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢，LED照明(也稱固態(tài)照明，或SSL)成為一種極為引人注目的替代解決方案。

針對固態(tài)照明的能效規(guī)范要求

為了促進(jìn)節(jié)能，世界各地的政府機(jī)構(gòu)或規(guī)范組織制定了不同LED照明規(guī)范，主要體現(xiàn)在對功率因數(shù)(PF)的要求方面。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)規(guī)定了功率大于25W照明應(yīng)用的總諧波失真性能，某些地區(qū)的其它國際標(biāo)準(zhǔn)也適用這規(guī)定。

另外，美國能源部制定及發(fā)布了針對固態(tài)照明燈具的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)自愿性標(biāo)準(zhǔn)包含針對常見住宅和商業(yè)照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺燈)的系列要求，涵蓋最低流明輸出、總體光效、可靠性目標(biāo)、光色溫及一系列其它關(guān)鍵系統(tǒng)級要求。值得注意的是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中并不直接包含電源能效要求，但包含功率因數(shù)要求，即不論是何種功率等級，住宅應(yīng)用要求的PF大于0.7，商業(yè)應(yīng)用要求的PF大于0.9，而集成LED燈光的要求是PF大于0.7。

當(dāng)然，并非所有國家都絕對強(qiáng)制要求在照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求。例如，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用。此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有/維護(hù)街燈時(shí)，他們可以根據(jù)自己的意愿，來決定是否要求產(chǎn)品擁有高功率因數(shù)(通常大于0.95+)。

13W LED嵌燈設(shè)計(jì)示例

1)參照代用標(biāo)準(zhǔn)確立最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)

以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標(biāo)準(zhǔn)為例，這標(biāo)準(zhǔn)包含決定燈具光效的總體性要求；實(shí)際上，這標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)，涉及所選LED、現(xiàn)場工作溫度、光學(xué)組件、驅(qū)動器電源轉(zhuǎn)換能效等。燈具開發(fā)人員因而可以在LED的選擇、光學(xué)組件的使用、熱管理方案、驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方面折衷取舍，從而符合整體要求。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)應(yīng)用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對嵌燈的關(guān)鍵系統(tǒng)要求。

表1：“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)固態(tài)照明規(guī)范之嵌燈關(guān)鍵要求。

最常見的嵌燈是較大孔徑類嵌燈。對于住宅及商業(yè)應(yīng)用而言，除了功率因數(shù)方面的差別，設(shè)計(jì)人員能夠靈活地使用中性及暖白光LED。從表1中的最低要求可以看出，要獲得575流明的最低輸出，最大輸入功率閾值約為16.4W。

由于沒有直接適用的LED驅(qū)動器能效標(biāo)準(zhǔn)，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標(biāo)準(zhǔn)作為代用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)，額定功率在1到49W之間的標(biāo)準(zhǔn)電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此，符合這標(biāo)準(zhǔn)的12W額定功率電源的最低能效為77.7%，15W電源則為79.1%。由于LED燈具標(biāo)準(zhǔn)基于輸入插座能效，有必要將驅(qū)動器能效目標(biāo)轉(zhuǎn)換為有效的LED負(fù)載。為了增加一些設(shè)計(jì)裕量，我們將最低目標(biāo)能效定為80%。這樣一來，LED負(fù)載就為16.4W×80%，即13.1W。

這樣，我們就確定了最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)。LED光效受制于LED制造商以及驅(qū)動電流和工作溫度。安森美半導(dǎo)體這GreenPoint參考設(shè)計(jì)選擇的是350mA的恒定電流，支持市場上大多數(shù)高亮度功率LED。另一個(gè)要顧及的因素是燈具開發(fā)人員可以選擇寬范圍的LED，所選LED的光效越高，要求采用的LED數(shù)量就越少。因此，這GreenPoint參考設(shè)計(jì)在50%至100%額定負(fù)載時(shí)的能效應(yīng)當(dāng)較高。隨著LED光效的提升，可以輕易修改同一個(gè)基本電源設(shè)計(jì)來驅(qū)動更少的LED，從而提供遠(yuǎn)高于最低要求的燈具光效。

2)其它設(shè)計(jì)要求

確定了基本設(shè)計(jì)要求，就需要考慮與終端應(yīng)用需求有關(guān)的其它系統(tǒng)因素。例如，雖然標(biāo)準(zhǔn)中并無要求，但兼容已有線路調(diào)光方案很重要。因此，應(yīng)當(dāng)針對三端雙向可控硅開關(guān)器件(TRIAC)壁式調(diào)光器來優(yōu)化設(shè)計(jì)。TRIAC調(diào)光的挑戰(zhàn)不少，但有一項(xiàng)因素設(shè)計(jì)人員可能容易忽略，就是驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動及工作。而且，驅(qū)動電源的尺寸應(yīng)當(dāng)匹配嵌燈燈具接線盒。還應(yīng)該注意一項(xiàng)人的因素要求。雖然LED實(shí)際上在瞬間之間就發(fā)光，但驅(qū)動器的設(shè)計(jì)要留出特定的啟動時(shí)間。不管是什么LED燈具，這方面的表現(xiàn)都應(yīng)該不比CFL差，甚至應(yīng)該更好。所以，我們可以把CFL作為參照基準(zhǔn)?！澳茉粗恰盋FL燈泡要求中，額定條件下最大啟動時(shí)間為1秒，因此，我們將就LED驅(qū)動器在啟動時(shí)間方面的設(shè)計(jì)目標(biāo)定在0.5秒。由于這個(gè)設(shè)計(jì)面向住宅或商業(yè)應(yīng)用，因此我們定下的規(guī)格目標(biāo)更具挑戰(zhàn)性。表2總結(jié)了本GreenPoint參考設(shè)計(jì)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2：關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3)設(shè)計(jì)途徑：采用單段式方案提供高功率因數(shù)

要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、電源能效目標(biāo)及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)。由于功率目標(biāo)較低，傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。因此，我們使用了基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本。但采用單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)也會受到一些影響，如無初級高壓能量存儲，輸出電壓保持時(shí)間較短。另外，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來滿足維持要求，及對動態(tài)負(fù)載反應(yīng)較慢等。有利的是，這對眾多LED照明應(yīng)用而言不構(gòu)成問題，因?yàn)長ED照明應(yīng)用無系統(tǒng)維持時(shí)間要求，而且紋波匯入平均光輸出，人眼不會察覺。

設(shè)計(jì)針對高功率因數(shù)(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求，并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形。這對兼容TRIAC調(diào)光非常重要，因?yàn)門RIAC調(diào)光器原本用于白熾燈，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻，即充當(dāng)電阻型負(fù)載。用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相。

圖1顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。從圖1中可以看出，隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個(gè)主要功能，一是緊密穩(wěn)流350mA的恒定電流，并為初級端提供反饋，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，對流經(jīng)LED的恒定電流進(jìn)行穩(wěn)流；二是在發(fā)生開路事件時(shí)，進(jìn)入恒壓控制模式，在故障事件下產(chǎn)生穩(wěn)壓固定電壓。開路電壓穩(wěn)壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制。此外，無意中碰到輸出短路時(shí)，還能限制功率，避免損壞LED。

這GreenPoint參考設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程參見安森美半導(dǎo)體另行提供的NCL3000數(shù)據(jù)表及兩篇設(shè)計(jì)筆記，參見參考資料[2]至[5]。

圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動器GreenPoint參考設(shè)計(jì)簡化框圖。

4)測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，這參考設(shè)計(jì)的性能超過了表2中所列的全部設(shè)計(jì)目標(biāo)，參見圖2(詳見參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅(qū)動器的功率因數(shù)和輸入電流總諧波失真，可以看出這參考設(shè)計(jì)的功率因數(shù)很高(超過商業(yè)照明0.9的最低功率因數(shù)要求)，總諧波失真低(<20%)。圖3顯示了不同負(fù)載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個(gè)工作點(diǎn)下的能效作平均計(jì)算，可得出總平均能效為80.7%；而在50%至100%負(fù)載的關(guān)鍵工作區(qū)域，能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設(shè)計(jì)定下的80%能效目標(biāo)，還超過了EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)對15W電源79.1%的能效要求。損耗來源中包含輸入EMI段支持TRIAC調(diào)光所需的15歐姆限流電阻的能耗。

圖2：90至135 Vac輸入線路電壓條件下的功率因數(shù)和總諧波失真。

圖3：輸入電壓為115 Vac時(shí)不同負(fù)載條件下的能效。

本文小結(jié)：

要設(shè)計(jì)滿足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線LED驅(qū)動器存在不少挑戰(zhàn)。本參考設(shè)計(jì)文檔顯示，安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器GreenPoint參考設(shè)計(jì)達(dá)到了所有關(guān)鍵性能指標(biāo)，如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應(yīng)用固態(tài)照明功率因數(shù)要求，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關(guān)鍵負(fù)載條件下的能效要求。這參考設(shè)計(jì)還為系統(tǒng)開發(fā)人員提供靈活性，使他們能夠升高或降低功率，滿足不同功率應(yīng)用的要求。這種途徑讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活應(yīng)對LED光效提升，便于他們設(shè)計(jì)LED數(shù)量更少但仍提供預(yù)期光輸出的燈具。