基于AC-DCLED電源轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

近年來(lái)，世界上眾多國(guó)家致力于以更高能效的照明方案來(lái)替代低能效的白熾燈。而隨著發(fā)光二極管（LED）在發(fā)光性能及成本等幾乎各方面持續(xù)改進(jìn)，LED在通用照明領(lǐng)域已經(jīng)成為極引人注目的解決方案。從供電電源來(lái)看，LED照明也包括高壓AC-DC、中等電壓AC-DC或DC-DC以及電池供電等不同類(lèi)型。本文將著重探討用于低功率（一般低于30W）AC-DCLED通用照明應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器方案及其在PAR30、A型燈等應(yīng)用中的示例。

AC-DC電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

對(duì)于低功率AC-DCLED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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所謂“隔離”，是指輸入與輸出之間采用變壓器等進(jìn)行電氣隔離。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)。相比較而言，非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電路板配置簡(jiǎn)單、電路板尺寸小、元件數(shù)量少、能效更高，而隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于滿(mǎn)足安規(guī)要求，但磁學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求較大的電路板尺寸。本文將聚集于隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC-DCLED驅(qū)動(dòng)器方案。

LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用要求

對(duì)于LED通用照明應(yīng)用而言，目前成本還相對(duì)較高，故高性比的LED驅(qū)動(dòng)器無(wú)疑會(huì)更受青睞。此外，LED驅(qū)動(dòng)器也應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、靈活、適應(yīng)寬環(huán)境條件、可改造用于已有應(yīng)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(guó)“能源之星”項(xiàng)目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PFC帶有強(qiáng)制性要求（而無(wú)論是何種功率等級(jí)），適用于特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈等。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，針對(duì)商業(yè)應(yīng)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5W的燈泡功率因數(shù)大于0.7。當(dāng)然，并非所有國(guó)家都絕對(duì)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(dòng)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。

圖1：傳統(tǒng)兩段式架構(gòu)與改進(jìn)的單段式架構(gòu)對(duì)比

提供高功率因數(shù)的NCL30000隔離型LED驅(qū)動(dòng)器方案

要提供高功率因數(shù)，同時(shí)符合其它應(yīng)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(lái)，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(wú)法滿(mǎn)足要求了。有利的是，諸如安森美半導(dǎo)體NCL30000功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器采用單段式架構(gòu)（見(jiàn)圖1），可以提供達(dá)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(dǎo)電模式（CrM）反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供大于0.95的高功率因數(shù)，省下專(zhuān)門(mén)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。

NCL30000采用的恒定導(dǎo)通時(shí)間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應(yīng)用，因?yàn)榭刂圃砗?jiǎn)單，即使在低功率電平時(shí)，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(yīng)用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安（？A）的低啟動(dòng)電流及典型值2mA的低工作電流，配合高能效設(shè)計(jì)。這器件也集成前沿消隱（LEB）電路，防止故障觸發(fā)，還集成強(qiáng)固的故障處理能力。

圖2：基于NCL30000的隔離型反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint？參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化框圖

配合TRIAC調(diào)光

除了要提供相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所要求的高能效及高功率因數(shù)，考慮特定的終端應(yīng)用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調(diào)控方法是三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件（TRIAC）調(diào)光。但TRIAC調(diào)光器原本針對(duì)電阻型負(fù)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(dòng)器兼容TRIAC調(diào)光器也很重要，這樣有利于用戶(hù)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(guò)改變調(diào)光器位置來(lái)在350mA至1.7mA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(fù)載的波形，而這對(duì)兼容TRIAC調(diào)光器非常重要，因?yàn)橛?a target="_blank">示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的NCL30000單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相（參見(jiàn)圖3）。

演示板能效測(cè)試結(jié)果

安森美半導(dǎo)體基于NCL30000開(kāi)發(fā)了目標(biāo)功率低于18W、支持4至15顆LED@350mA且支持TRIAC調(diào)光（針對(duì)12顆LED進(jìn)行預(yù)配置）的參考設(shè)計(jì)演示電路板。輸入電壓范圍為90至305Vac的NCL30000演示電路板的能效測(cè)試結(jié)果顯示，寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)達(dá)到或超過(guò)0.95（見(jiàn)左圖），且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩(wěn)流效果和高能效（右圖）。

圖4：演示板測(cè)量能效結(jié)果（左圖：輸入電流THD及功率因數(shù)；右圖：負(fù)載穩(wěn)流及能效）

應(yīng)用示例

對(duì)于LED照明應(yīng)用而言，燈泡替代是重要的應(yīng)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(yīng)用存在獨(dú)特挑戰(zhàn)，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。安森美半導(dǎo)體相應(yīng)開(kāi)發(fā)了一些燈泡替代參考設(shè)計(jì)，介紹如何使用安森美半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)器方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

圖5：基于NCL30000的11WLEDPAR30燈泡改造示例

以PAR30燈泡替代應(yīng)用為例，安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用注釋《11WTRIAC可調(diào)光PAR30LED燈泡驅(qū)動(dòng)器》（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(lái)設(shè)計(jì)LEDPAR30燈的完整電源轉(zhuǎn)換方案，用于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)-并聯(lián)配置的3串共24顆LED（每串8顆LED，每串電流150mA，3串共450mA）。這參考設(shè)計(jì)使用市場(chǎng)上購(gòu)得的LED散熱片和E27Edison底座，有效處理散熱及尺寸受限問(wèn)題。此設(shè)計(jì)的目標(biāo)輸出功率為11W，包含115Vac版本（功率因數(shù)高于0.9，輸入電流THD《20%）和230Vac（遵從IEC61000-3-2規(guī)范）兩種版本，LED電流穩(wěn)流精度達(dá)±5%，LED電壓范圍21至27Vdc，能效高于82%，兼容TRIAC及電子低壓調(diào)光器調(diào)光，且遵從FCCB類(lèi)導(dǎo)電型EMI標(biāo)準(zhǔn)。

PAR30燈泡是特定指向照明的一個(gè)示例?，F(xiàn)實(shí)中也存在許多全向照明應(yīng)用，如A型燈。LEDA型燈以標(biāo)準(zhǔn)A型燈尺寸來(lái)替代傳統(tǒng)A型白熾燈，是商業(yè)及住宅照明應(yīng)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(hù)和替代。傳統(tǒng)白熾燈存在不同功率等級(jí)，如40W（光輸出約450lm）或60W（光輸出約600至800lm）。如今一流的暖白光LED的光效處在100lm/W范圍內(nèi)?？紤]到熱效應(yīng)及光電轉(zhuǎn)換效率，要提供450lm光輸出，大約需要5至7顆LED。安森美半導(dǎo)體目前正在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于LEDA型燈的NCL30000TRIAC可調(diào)光方案。

有利的是，安森美半導(dǎo)體已經(jīng)基于臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正控制器NCP1607開(kāi)發(fā)出了A19燈泡LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）。這參考設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍為90至265Vac，額定輸出功率約為6.4W（16.5@400mA），采用隔離型單段式設(shè)計(jì)，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IEC61000-3-2C類(lèi)諧波含量標(biāo)準(zhǔn)（輸入THD《15%），遵從FCCB類(lèi)導(dǎo)電型輻射標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)就顧及到了符合UL8750安規(guī)，并符合“能源之星”針對(duì)整體式LED燈泡的1.1版規(guī)范要求。

圖6：基于NCP1607的高功率因數(shù)A19燈泡E26/E27驅(qū)動(dòng)器方案

總結(jié)：

本文圍繞低功率AC-DCLED通用照明應(yīng)用，著重分析了隔離型LED驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用設(shè)計(jì)要求，介紹了安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的單段式隔離型高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器方案NCL30000，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(dāng)散熱及符合相關(guān)能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并分享了安森美半導(dǎo)體已開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)的PAR30及A型LED燈泡替代參考設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)工程師縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市。
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