針對(duì)不同LED照明應(yīng)用的電源解決方案

　　高亮度LED對(duì)于照明設(shè)計(jì)、全球能源節(jié)省和創(chuàng)新產(chǎn)品具有重大意義，對(duì)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。

　　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(lái)驅(qū)動(dòng)，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(wú)論是交流線路、太陽(yáng)能板、12 V汽車(chē)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(zhuān)注于運(yùn)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(zhuān)長(zhǎng)來(lái)應(yīng)對(duì)LED照明所面臨的挑戰(zhàn)：無(wú)論是便攜顯示產(chǎn)品、汽車(chē)內(nèi)部照明或LED信號(hào)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(chē)和便攜應(yīng)用等，討論安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源解決方案。

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

　　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(jí)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(yàn)。安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出了結(jié)合高壓開(kāi)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(duì)寬廣的功率需求提供集成了高性?xún)r(jià)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700V的高壓場(chǎng)效應(yīng)管（FET）集成至簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、元件數(shù)量少的解決方案之中。

　　這類(lèi)解決方案包括三個(gè)方面：

　　* 單片交流-直流（AC-DC）恒流驅(qū)動(dòng)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(shí)包含隔離型和非隔離型，功率高達(dá)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(jì)。

　　* PFC解決方案

　　對(duì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)樗梢詫⒃?shù)量減至最少。高于這個(gè)功率范圍，則可以使用控制器，因?yàn)榭刂破鳛樵O(shè)計(jì)人員在選擇這種應(yīng)用最適合的高壓FET方面提供靈活性?？刂破骷瓤捎糜诟綦x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(jì)人員針對(duì)其具體設(shè)計(jì)要求優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

　　IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)），這個(gè)規(guī)范就會(huì)適用。此外，即使在某些地區(qū)并不要求遵從這項(xiàng)IEC規(guī)范，也可能對(duì)最低功率因數(shù)提出要求。這樣一來(lái)，這些應(yīng)用中就需要前端PFC控制器。增加這樣一個(gè)段會(huì)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。

　幸運(yùn)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(jì)人員對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊和強(qiáng)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(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的獨(dú)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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(guò)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(hào)燈和照明等應(yīng)用。

　　對(duì)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(duì)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(duì)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(yáng)能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類(lèi)的照明應(yīng)用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車(chē)和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。

　　即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。

　　對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)輸出電流來(lái)進(jìn)行選擇。若輸出電流大于1.2 A，則可采用設(shè)計(jì)用于為高亮度LED供電的1.5 A恒流開(kāi)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(duì)LED串的平均電流進(jìn)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(chē)級(jí)應(yīng)用的版本—NCV3065。只需采用極少的外部元件（如MOSFET或低VCEsat開(kāi)關(guān)），NCP3065開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器即可配置為降壓、升壓或SEPIC等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這使得它還能用于電流小于1.2 A的應(yīng)用。對(duì)于電流小于1.2 A的應(yīng)用，還可采用NCP1215+MOSFET來(lái)構(gòu)成降壓轉(zhuǎn)換器。對(duì)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(dòng)器。

　　如果輸出電壓大于輸入電壓，則選擇升壓拓?fù)浣Y(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(dòng)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，這時(shí)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(kāi)關(guān)電流來(lái)確定。如果開(kāi)關(guān)電流大于1.3 A，則采用結(jié)合MOSFET或低VCEsat開(kāi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在某些環(huán)境下，也需要降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如從標(biāo)準(zhǔn)電源輸入端驅(qū)動(dòng)LED串；此外，在輸入電壓和LED負(fù)載電壓交疊的場(chǎng)合中使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很常見(jiàn)。而NCP3065也能夠配置為降壓-升壓控制器。這種架構(gòu)需要2個(gè)電源開(kāi)關(guān)。雖然NCP3065本身也包含1個(gè)電源開(kāi)關(guān)，但我們可以使用1個(gè)低VCEsat PNP/NPN對(duì)管來(lái)獲得更高轉(zhuǎn)換效率。這是一種可擴(kuò)展的方案，整流器和電源開(kāi)關(guān)都能夠根據(jù)具體的輸入和輸出電壓以及電流電平來(lái)調(diào)整。值得一提的是，諸如NSS40500UW3這樣的低VCEsat晶體管采用小巧的2×2 mm封裝，提供極佳的性能。

　　圖4所示的是功率最高達(dá)12 W的NCP3065降壓-升壓電路。這電路設(shè)計(jì)用于電流高達(dá)0.7 A的應(yīng)用，輸入電壓范圍可達(dá)8至26 Vdc。輸出電壓Vout為16 Vdc @ 700 mA和輸入電壓Vin為13-26 Vdc時(shí)，能效可達(dá)72%至80%。