安森美半導(dǎo)體AC-DC非隔離高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)方案

　　采用交流-直流（AC-DC）電源供電的LED通用照明應(yīng)用中，常見隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與非隔離拓?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)的優(yōu)勢(shì)包括磁性元件尺寸更小、能效更高、元件數(shù)量更少、總物料單成本更低，以及能以機(jī)械設(shè)計(jì)滿足安規(guī)等。安森美半導(dǎo)體提供多種非隔離高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)方案，不僅可提供更高的能效，而且設(shè)計(jì)緊湊，適合不同的中低功率LED通用照明應(yīng)用，如線性熒光燈替代和大功率嵌燈及聚光燈等。

　　常見降壓非隔離應(yīng)用應(yīng)用LED驅(qū)動(dòng)器方案

　　在MR16燈泡、12 V景觀照明、太陽(yáng)能供電LED照明及廣告牌文字電路和標(biāo)志背光等應(yīng)用中，可以采用靈活的降壓驅(qū)動(dòng)器NCL30160。這器件是針對(duì)單電壓輸入的高能效、峰值電流控制降壓控制器，為MR16 LED燈泡等空間受限且講究高能效的應(yīng)用提供極佳方案。但嚴(yán)格地說，NCL30160是一款DC-DC非降壓隔離驅(qū)動(dòng)器方案。

　　在G13、GU10、PAR16、PAR20及嵌燈等1至8 W低功率LED照明應(yīng)用方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開關(guān)控制IC。這器件集成了700V高壓MOSFET，采用PDIP-7或SOT-223封裝，提供構(gòu)建強(qiáng)固、低成本的AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換方案所需的全部特性。這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案，用于滿足不同應(yīng)用要求。其中，基于NCP1015的非隔離方案采用抽頭電感來隔離交流信號(hào)，提高M(jìn)OSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能可以通過減小電容或是谷底填充電路來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)大于0.7的要求。

　　在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動(dòng)器則面臨著功率因數(shù)校正（PFC）的問題。如美國(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)），即針對(duì)住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對(duì)商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607臨界導(dǎo)電模式（CrM）方案這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案，

　　支持調(diào)光的高功率因數(shù)非隔離LED器方案

　　一些AC-DC非隔離LED照明應(yīng)用既要求高功率因數(shù)，又要求支持調(diào)光，如模擬、數(shù)字（PWM）或三端雙向可控硅開關(guān)器件（TRIAC）調(diào)光等。在這些應(yīng)用中，客戶可以采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，或是LV5026/29系列高功率因數(shù)可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。

　　一、NCL30000/2非隔離可調(diào)光高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用

　　NCL30000是用于住宅及商業(yè)照明等LED照明應(yīng)用的功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。NCL30000/2采用緊湊型的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)，因而省卻直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換段。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動(dòng)器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關(guān)組件（TRIAC）可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電源。這器件與前沿TRIAC調(diào)光器和尾沿晶體管調(diào)光器兼容。視乎所使用的調(diào)光器，LED輸出可調(diào)低至2%。

　　NCL30000采用恒定導(dǎo)通時(shí)間CrM工作，非常適合于隔離型反激應(yīng)用，但也可以配置為非隔離型高功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而在非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，NCL30002在-40至125℃工作溫度條件下有較高電流精度（《±3.1%），包含降壓及降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等不同選擇，下文將進(jìn)行比較。

　　1） NCL30000非隔離降壓及降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

　　從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足是輸入電流波形取決于輸出電壓。在這種配置下，由于電感與LED串采用串聯(lián)配置，僅在輸入電壓超過LED正向壓降（VF）時(shí)有電流流過；CrM及恒定導(dǎo)通時(shí)間工作可提供高功率因數(shù)；直接感測(cè)LED電流；低環(huán)路帶寬支持高功率因數(shù)工作；MOSFET電流等于LED峰值電流；MOSFET電壓應(yīng)力等于峰值主電源電壓；功率因數(shù)（PF）及總諧波失真（THD%）性能取決于輸出壓降與輸入電壓之比（VF/Vin），比例越高，PF越低；比例越高，THD越高。

　　圖1：降壓及降壓-升壓配置比較

　　相比較而言，降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流波形跟負(fù)載無(wú)關(guān)，具有高功率因數(shù)、良好的總諧波失真性能。降壓-升壓配置下，電感與LED串并未串聯(lián)，輸入電流波形或失真與輸出壓降（VF）無(wú)關(guān)；固有的LED故障保護(hù)功能可在MOSFET短路時(shí)提供保護(hù)；LED正向壓降可以高于或低于輸入電壓；MOSFET開關(guān)電壓應(yīng)力為輸入電壓與輸出壓降之和（Vin+Vout）。

　　2） 基于NCL30000的非隔離降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器方案

　　本文將重點(diǎn)探討降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的NCL30000非隔離型LED驅(qū)動(dòng)器方案。

　　圖2：NCL30000非隔離降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖

　　如圖2所示，在NCL30000非隔離降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用中，LED平均電流被穩(wěn)流，可穩(wěn)定線路電壓變化和負(fù)載變化；可實(shí)現(xiàn)LED開路及短路保護(hù)；如果FET短路，LED仍然安全。

　　NCL30000降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理包括：

　　·直接感測(cè)LED電流，提供真正的平均模式反饋?？梢栽趯扡ED電壓范圍內(nèi)維持緊密的穩(wěn)流；感測(cè)電阻（R9）的阻值很小，可提升能效至最高；匹配的晶體管對(duì)（Q1）產(chǎn)生與LED電流成正比的電流。

　　·分級(jí)電平轉(zhuǎn)換晶體管（Q2）將正比例電流耦合至低邊控制器；省去了光耦；第二個(gè)分級(jí)晶體管（Q5）用于“高輸入+輸出”電壓的方案。

　　·端接電阻（R14）將正比例電流轉(zhuǎn)換為電壓；將電壓用作提供給控制器的反饋信號(hào)；在LED平均電流處關(guān)閉反饋環(huán)路。

　　·低環(huán)路帶寬提供高功率因數(shù)。

　　3）基于NCL30000的T8燈管LED驅(qū)動(dòng)器演示板

　　安森美半導(dǎo)體為采用NCL30000的T8燈管LED驅(qū)動(dòng)器提供了高PF演示板，用來替代常見的線性熒光燈管。25 W設(shè)計(jì)示例在350 mA電流時(shí)的電壓為72 V，主電源電壓范圍的能效高于88%，典型功率因數(shù)高于0.96，尺寸為18 mmx 200 mm （總高度19 mm）。

　　圖3：基于NCL30000的非隔離降壓-升壓T8燈管驅(qū)動(dòng)器演示板

　　該演示板具有諸多特性：控制器以交流整流回路電壓為參考，可降低系統(tǒng)噪聲；LED以交流整流電壓為參考，可減少產(chǎn)生的EMI；直接感測(cè)LED電流實(shí)現(xiàn)真正的平均模式控制；在寬LED電壓范圍內(nèi)維持緊密穩(wěn)壓；恒定導(dǎo)通時(shí)間提供高功率因數(shù)及低總諧波失真；使用偏置繞組提供負(fù)載開路保護(hù)；熱反走，帶自動(dòng)恢復(fù)；監(jiān)控LED電流，提供短路保護(hù)；感測(cè)FET電流，用于故障保護(hù)。25 W T8燈管LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)示例的設(shè)計(jì)要求包括：輸入電壓范圍為90至305 Vac；為L(zhǎng)ED提供350 mA恒定電流；LED串最大電壓為71.4 V；LED串最小電壓為55 V；最小交流主電壓的峰值時(shí)開關(guān)頻率為70 kHz；能效約為90%。

　　圖4：NCL30000降壓-升壓非隔離LED驅(qū)動(dòng)器演示板性能測(cè)試結(jié)果

　　4）基于NCL30000的TRIAC可調(diào)光高功率因數(shù)GU10 LED驅(qū)動(dòng)器方案

　　對(duì)上述方案進(jìn)行一些必要的修改，還可配合TRIAC調(diào)光。修改措施包括：在偏置練級(jí)上增加更多匝數(shù)、增加偏置穩(wěn)壓器用于寬范圍調(diào)光、可選加速調(diào)光電路以優(yōu)化調(diào)光響應(yīng)、優(yōu)化EMI濾波器以適應(yīng)TRIAC導(dǎo)通時(shí)的大階躍電壓等。改后方案的電源規(guī)范摘要包括：輸入電壓100至130 Vac；3個(gè)LED的輸出為470 mA；額定輸出功率約4.7W；非隔離設(shè)計(jì)TRIAC調(diào)光；功率因數(shù)校正》 0.85；100至130 Vac的能效》82％。

　　二、LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅(qū)動(dòng)器方案

　　除了NCL30000，客戶也可以采用安森美半導(dǎo)體成員公司三洋半導(dǎo)體的LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅(qū)動(dòng)器，并根據(jù)實(shí)際調(diào)光要求，選擇適合的產(chǎn)品。例如，若需要同時(shí)支持TRIAC調(diào)光、PWM調(diào)光及模擬調(diào)光，則應(yīng)選擇LV5026M；若只需要支持PWM及模擬調(diào)光，則可選擇LV5029MC。以非隔離可調(diào)光高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器LV5026MD為例，它可驅(qū)動(dòng)大功率場(chǎng)效應(yīng)管電路，采用步進(jìn)控制方式，具有頻率振蕩、基準(zhǔn)電壓外部調(diào)整、兼容數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光、內(nèi)置軟啟動(dòng)、過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過電壓保護(hù)電路等特性。電路圖如圖6所示。

　　圖6：采用LV5026MD的非隔離降壓LED驅(qū)動(dòng)器

　　使用LV5026MD的LED照明驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，改變電路構(gòu)成可以提高功率因數(shù)。對(duì)應(yīng)方法包括：減小AC電壓平滑用電容器，擴(kuò)大AC電流的導(dǎo)通角；控制功率場(chǎng)效應(yīng)管中流的電流同輸入的AC電壓成比例。

　　總結(jié)

　　NCL30000和LV5026MD均支持隔離及非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以提供更高的能效，在主電源輸入電壓及LED負(fù)載范圍內(nèi)提供緊密的LED穩(wěn)流；同時(shí)，具有高功率因數(shù)和低THD特性，可以優(yōu)化切相調(diào)光器應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體提供的寬范圍的LED驅(qū)動(dòng)器方案，配以相關(guān)工具及支持，有助于實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，適合不同的中低功率LED照明應(yīng)用，同時(shí)幫助客戶加快產(chǎn)品上市。