單段式高功率因數TRIAC調光LED驅動器設計

國際能源署(IEA)估計，在全球消耗的電能中，有19%是用于照明，所以“高效照明”是近幾年重點研究的話題。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)的快速進步，再結合LED在高指向性、長壽命和低維護成本等方面的優(yōu)勢,LED照明 (也稱固態(tài)照明 ,或SSL)迅速成為一種極為引人注目的替代解決方案。

針對LED照明的能效規(guī)范要求　　

為了推廣高效照明,世界各地的政府機構或規(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(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照明應用的總諧波失真性能,某些地區(qū)的其它國際標準也適用這規(guī)定?！　?/P>

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”標準。這項自愿性標準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、光色溫及一系列其它關鍵系統(tǒng)級要求。值得注意的是,這個標準中并不直接包含電源能效要求,但包含功率因數要求,即不論是何種功率等級,住宅應用要求的PF大于0.7,商業(yè)應用要求的PF大于0.9,而集成LED燈 光的要求是PF大于0.7?！　?/P>

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,但某些應用可能有這方面的要求。例如,公用事業(yè)機構可能大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業(yè)應用。此外,公用事業(yè)機構擁有/維護街燈時,他們可以根據自己的意愿,來決定是否要求產品擁有高功率因數(通常大于0.95+)?！　?/P>

13W LED嵌燈設計示例　　

1、參照代用標準確立最大負載設計目標

以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標準為例,這標準包含決定燈具光效的總體性要求;實際上,這標準是一個系統(tǒng)級標準,涉及所選LED、現(xiàn)場工作溫度、光學 組件、驅動 器電源轉換能效等。燈具開發(fā)人員因而可以在LED的選擇、光學組件的使用、熱管理方案、驅動器拓撲結構及設計方面折衷取舍,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)應用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對嵌燈的關鍵系統(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)應用而言,除了功率因數方面的差別,設計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16.4 W?！　?/P>

由于沒有直接適用的LED驅動器能效標準,可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標準作為代用標準。根據EPS 2.0標準,額定功率在1到49W之間的標準電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此,符合這標準的12 W額定功率電源的最低能效為77.7%,15 W電源則為79.1%。由于LED燈具 標準基于輸入插座能效,有必要將驅動器能效目標轉換為有效的LED負載。為了增加一些設計裕量,我們將最低目標能效定為80%。這樣一來,LED負載就為16.4 W×80%,即13.1 W。　　

這樣,我們就確定了最大負載設計目標。LED光效受制于LED制造商以及驅動電流和工作溫度。安森美 半導體 這GreenPoint?參考設計選擇的是350 mA的恒定電流,支持市場上大多數高亮度 功率LED。另一個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數量就越少。因此,這GreenPoint?參考設計在50%至100%額定負載時的能效應當較高。隨著LED光效的提升,可以輕易修改同一個基本電源設計 來驅動更少的LED,從而提供遠高于最低要求的燈具光效。　　

2、其它設計要求　　

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

表2：關鍵設計目標

3、設計途徑：采用單段式方案提供高功率因數　　

要實現(xiàn)高功率因數、電源能效目標及緊湊的尺寸,有必要使用高功率因數的單段式拓撲結構。由于功率目標較低,傳統(tǒng)的兩段式拓撲結構(PFC升壓+反激轉換)就無法滿足要求了。因此,我們使用了基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器 的CrM反激拓撲結構。

單段式拓撲結構省下專用的PFC升壓段,幫助減少元器件數量,降低系統(tǒng)總成本。但采用單段式拓撲結構,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)負載反應較慢等。有利的是,這對眾多LED照明應用而言不構成問題,因為LED照明應用無系統(tǒng)維持時間要求,而且紋波匯入平均光輸出,人眼不會察覺?！　?/P>

設計針對高功率因數(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調光非常重要,因為TRIAC調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,即充當電阻型負載。用示波器截取的波形顯示 ,優(yōu)化設計的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相?！　?/P>

圖1顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數反激拓撲結構的簡化功能框圖。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。這模塊有兩個主要功能,一是緊密穩(wěn)流350 mA的恒定電流,并為初級端提供反饋,用于調節(jié)導通時間,對流經LED的恒定電流進行穩(wěn)流;二是在發(fā)生開路事件時,進入恒壓控制模式,在故障事件下產生穩(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,還能限制功率,避免損壞LED。

圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動器GreenPoint?參考設計簡化框圖

4、測試 結果　　

測試結果顯示,這參考設計的性能超過了表2中所列的全部設計目標,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驅動器的功率因數和輸入電流總諧波失真,可以看出這參考設計的功率因數很高(超過商業(yè)照明0.9的最低功率因數要求),總諧波失真低(20%)。圖3顯示了不同負載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個工作點下的能效作平均計算,可得出總平均能效為80.7%;而在50%至100%負載的關鍵工作區(qū)域,能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設計定下的80%能效目標,還超過了EPS 2.0標準對15 W電源79.1%的能效要求。損耗來源中包含輸入EMI 段支持TRIAC調光所需的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和總諧波失真

圖3：輸入電壓為115 Vac時不同負載條件下的能效

總結　　

要設計出滿足符合下一代LED照明的離線LED驅動器存在不少挑戰(zhàn)。本參考設計文檔顯示,安森美半導體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調光LED驅動器GreenPoint?參考設計達到了所有關鍵性能指標,如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應用固態(tài)照明功率因數要求,甚至是代為參考的2.0版外部電源在關鍵負載條件下的能效要求。這參考設計還為系統(tǒng)開發(fā)人員提供靈活性,使他們能夠升高或降低功率,滿足不同功率應用的要求。這種途徑讓設計人員能夠靈活應對LED光效提升,便于他們設計LED數量更少但仍提供預期光輸出的燈具。