安森美半導(dǎo)體的LED電源解決方案

　　與傳統(tǒng)的光源相比，發(fā)光二極管（LED）具備眾多的優(yōu)點，如工作電壓低，能效高，很小巧并產(chǎn)生定向光。它們能夠提供極寬廣的色彩以及白光，不產(chǎn)生紅外（IR）或紫外（UV）輻射，而且由于它們是固態(tài)器件，在機械上很強固，并且不含汞，在恰當設(shè)計和使用時能夠具有超過5萬小時的工作壽命，遠長于標準白熾燈的1千小時壽命。此外，它們還完全可調(diào)光。這些優(yōu)點使得LED的應(yīng)用越來越廣泛，如今已擁有眾多的應(yīng)用市場，如建筑景觀照明、交通信號燈、顯示屏、零售、中小尺寸液晶顯示屏（LCD）背光、汽車和太陽能等，并在街道照明、住宅照明乃至中大尺寸LCD背光方面擁有越來越大的發(fā)展空間。

　　高亮度LED對于照明設(shè)計、全球能源節(jié)省和創(chuàng)新產(chǎn)品具有重大意義，對催生固態(tài)照明革命至關(guān)重要。這種革命需要一種整體性的途徑，在這其中，LED與電源轉(zhuǎn)換和控制電子器件以及熱管理解決方案和光學(xué)器件集成在一起。

　　LED照明應(yīng)用的電源解決方案

　　如上所述，LED本質(zhì)上是低電壓器件；根據(jù)色彩和電流的不同，LED的正向電壓介于不足2 V至4.5 V之間。此外，LED需要采用恒定電流來驅(qū)動，從而確保獲得所需的發(fā)光亮度和色彩。這就需要相應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換和控制解決方案能夠適應(yīng)不同的電源，無論是交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池。

　　作為一家全球領(lǐng)先的高能效電源半導(dǎo)體供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體專注于運用自身的低電壓和高電壓技術(shù)以及在電源管理解決方案方面的專長來應(yīng)對LED照明所面臨的挑戰(zhàn)：無論是便攜顯示產(chǎn)品、汽車內(nèi)部照明或LED信號燈的鎮(zhèn)流器。在下文中，我們將結(jié)合LED照明的多種不同應(yīng)用，如建筑、工業(yè)、汽車和便攜應(yīng)用等，討論安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的驅(qū)動電源解決方案。

　　1）可集成最高700 V高壓FET的離線型AC-DC開關(guān)電源解決方案

　　圖1（a）：輸入功率小于10 W的LED照明解決方案功能框圖

　　安森美半導(dǎo)體在將電源從交流主電源轉(zhuǎn)換為功率等級在幾瓦至幾百瓦范圍之間、適合多種不同應(yīng)用的可用能源方面擁有豐富的經(jīng)驗。安森美半導(dǎo)體開發(fā)出了結(jié)合高壓開關(guān)晶體管和中等電壓模擬電路的極高壓集成電路（VHVIC），針對寬廣的功率需求提供集成了高性價比解決方案。安森美半導(dǎo)體提供多種固定頻率控制器和轉(zhuǎn)換器，將電壓高至700 V的高壓場效應(yīng)管（FET）集成至簡單、經(jīng)濟、元件數(shù)量少的解決方案之中。

　　這類解決方案包括三個方面：單片交流-直流（AC-DC）恒流驅(qū)動器，功率范圍在5至15 W之間，如NCP1013、NCP1014和NCP1028等。NCP系列離線控制器，同時包含隔離型和非隔離型，功率高達150 W。安森美半導(dǎo)體提供用于街道照明、具有單段式功率因數(shù)校正器（PFC）的參考設(shè)計。

　　圖1（b）：輸入功率介于10至25 W的LED照明解決方案功能框圖

　　PFC解決方案

　　對于功率低于25 W（230 Vac）的較低功率應(yīng)用而言，最常用的是集成電源開關(guān)穩(wěn)壓器，因為它可以將元件數(shù)量減至最少。高于這個功率范圍，則可以使用控制器，因為控制器為設(shè)計人員在選擇這種應(yīng)用最適合的高壓FET方面提供靈活性。控制器既可用于隔離應(yīng)用，也可用于非隔離應(yīng)用，而安森美半導(dǎo)體提供多種不同的增值特性，允許設(shè)計人員針對其具體設(shè)計要求優(yōu)化設(shè)計。

　　圖2：NCP1351離線式LED驅(qū)動器參考設(shè)計。

　　圖2顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1351離線式LED驅(qū)動器參考設(shè)計。這參考設(shè)計的輸入功率范圍介于85至265 Vac之間，具有尺寸小、成本低、良好線路穩(wěn)壓等特性，在20 W負載具有80%的高能效，并集成了過載保護和短路保護等安全特性，最大尺寸僅為125×37×35 mm。

　　圖3（a）：傳統(tǒng)的2段式PFC架構(gòu)。

　　IEC1000-3-2標準設(shè)定了限制注入至交流線路中諧波的規(guī)范。就照明應(yīng)用而言，如果輸入功率大于25 W（C類），這個規(guī)范就會適用。此外，即使在某些地區(qū)并不要求遵從這項IEC規(guī)范，也可能對最低功率因數(shù)提出要求。這樣一來，這些應(yīng)用中就需要前端PFC控制器。增加這樣一個段會導(dǎo)致符合能效和空間等其它系統(tǒng)要求方面的困難，除非作出明智的選擇。

　　圖3（b）：改進的單段式PFC架構(gòu)。

　　幸運的是，安森美半導(dǎo)體深刻理解這些挑戰(zhàn)，擁有創(chuàng)新的PFC控制器產(chǎn)品陣容，符合設(shè)計人員對簡單、緊湊和強固解決方案的期望。安森美半導(dǎo)體不僅支持傳統(tǒng)的2段式應(yīng)用，也推出了數(shù)款進一步簡化設(shè)計的獨特解決方案，如NCP1651單段式反激控制器。

　　NCP1651在單芯片解決方案中集成了功率因數(shù)校正和轉(zhuǎn)換器，帶有外部FET，允許根據(jù)所需功率實現(xiàn)可擴展的解決方案。NCP1651具有隔離型降壓功能，支持連續(xù)或不連續(xù)模式操作，并支持平均電流模式控制（ACMC）和固定頻率控制，其高精度乘法器可用于降低總體諧波失真（THD）。它還具有過溫關(guān)閉和外部關(guān)閉等功能。這款單段式PFC控制器適合于電子鎮(zhèn)流器、街燈、交通信號燈和照明等應(yīng)用。

　　對于輸入功率介于25 W和60 W之間的LED照明應(yīng)用而言，可以采用NCP1351這樣的PWM控制器；對于輸入功率在60 W至150 W范圍而言，PWM控制器可以采用NCP1271；輸入功率在150 W至300 W范圍的，可以采用NCP1396這樣的PWM控制器。而對于25 W至300 W的輸入功率范圍而言，都可以采用臨界導(dǎo)電模式（CRM）的PFC控制器NCP1606。

　　2）寬輸入范圍的中等電壓LED應(yīng)用DC-DC電源解決方案

　　除了便攜供電應(yīng)用，還有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。

　　表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應(yīng)用

　　即使目標是采用恒定電流驅(qū)動LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當?shù)木€性或開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。

　　對于輸入電壓小于40 V的LED應(yīng)用而言，如果輸出電壓小于輸入電壓，則選擇降壓拓撲結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)輸出電流來進行選擇。若輸出電流大于1.2 A，則可采用設(shè)計用于為高亮度LED供電的1.5 A恒流開關(guān)穩(wěn)壓器NCP3065。這器件擁有額定值235 mV的極低反饋電壓，適合對LED串的平均電流進行穩(wěn)流。它擁有高至40 V的較寬輸入電壓范圍，使其能夠工作在12 Vac或12 Vdc電源。NCP3065還提供適合汽車級應(yīng)用的版本—NCV3065。只需采用極少的外部元件（如MOSFET或低VCEsat開關(guān)），NCP3065開關(guān)穩(wěn)壓器即可配置為降壓、升壓或SEPIC等拓撲結(jié)構(gòu)。這使得它還能用于電流小于1.2 A的應(yīng)用。對于電流小于1.2 A的應(yīng)用，還可采用NCP1215+MOSFET來構(gòu)成降壓轉(zhuǎn)換器。對于電流小于500 mA以及輸入電壓接近輸出電壓的應(yīng)用而言，可以采用NUD4001這樣的恒流線性驅(qū)動器。

　　如果輸出電壓大于輸入電壓，則選擇升壓拓撲結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，如果是低壓電池供電應(yīng)用，則可以選用NCP5005、NCP5604、NCP5608和NCP5050這樣的低壓LED驅(qū)動器；如果不是低壓電池供電應(yīng)用，再看其輸出電壓值，如果大于40 V，同樣可以采用NCP3065開關(guān)穩(wěn)壓器，這時候NCP3065結(jié)合外部NMOS MOSFET配置為升壓控制器結(jié)構(gòu)；否則，還要看開關(guān)電流來確定。如果開關(guān)電流大于1.3 A，則采用結(jié)合MOSFET或低VCEsat開關(guān)、配置為升壓控制器的NCP3065；如果小于1.3 A，采用配置為升壓轉(zhuǎn)換器的NCP3065。

　　除了單純的降壓或升壓拓撲結(jié)構(gòu)，在某些環(huán)境下，也需要降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，如從標準電源輸入端驅(qū)動LED串；此外，在輸入電壓和LED負載電壓交疊的場合中使用這種拓