半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
根據(jù)具體應(yīng)用的不同,LED可能會(huì)采用不同的電源來供電,如交流線路、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等。
1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中,涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合,如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中,有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù),即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器,或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在反激轉(zhuǎn)換器方面,根據(jù)輸出功率的不同,可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如,安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用,NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率,而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。
以NCP1014/1028為例,這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器,具有集成的700 V高壓MOSFET,均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置,輸入電壓范圍為90至265 Vac,具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性,適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是,這設(shè)計(jì)具有開路輸出保護(hù)功能,會(huì)在開路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計(jì)中,電流和開路電壓能夠通過簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來調(diào)整。值得一提的是,如果針對(duì)230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器,則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率,NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。
基于采用交流離線電源的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
圖1:安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖。
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。例如,歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明(功率大于25 W)的要求中具有針對(duì)總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國(guó),能源部“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。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn),并非強(qiáng)制性要求,但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如,公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)將推動(dòng)LED的大規(guī)模應(yīng)用,應(yīng)用在公用設(shè)施級(jí)別的LED可望擁有較高功率因數(shù);而且公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí),LED是否具有較高功率因數(shù)(通常大于0.95)取決于公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)的意愿,如果他們?cè)敢?,則相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足這方面的要求。
在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中,傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化,且認(rèn)證簡(jiǎn)單,但在總體能效方面會(huì)有折衷,如假設(shè)交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%,直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%,則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn),這種架構(gòu)預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同,有多種可供選擇的方案,如:PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。
另一方面,如上所述,在不需要隔離的應(yīng)用中,可以采用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)所使用的電感比變壓器小得多,而且只需要很少的元件來實(shí)現(xiàn)這種解決方案。這種架構(gòu)采用的是峰值電流控制(PCC)模式,工作在深度連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。這種架構(gòu)具有多種優(yōu)勢(shì),如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩(wěn)流的簡(jiǎn)單控制原理,以及能夠充分利用安森美半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來直接從交流線路為驅(qū)動(dòng)器供電。圖3顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1216 PWM電流模式控制器的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖。
它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì),從交流主電源直接為控制器供電,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。這設(shè)計(jì)適合120 Vac條件,若要用于230 Vac條件,則需要變更少許元件,如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設(shè)計(jì),所以存在高壓。而且這是一項(xiàng)浮動(dòng)設(shè)計(jì),IC和LED并非對(duì)地參考。在對(duì)器件進(jìn)行供電之前,LED必須連接至電路板。
對(duì)于這類降壓控制方式而言,當(dāng)控制的LED數(shù)量減少時(shí),它的一項(xiàng)局限就會(huì)出現(xiàn),因?yàn)檫@時(shí)占空比會(huì)變得極窄。而且開關(guān)控制器在電流被感測(cè)到之前會(huì)有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下,必須降低開關(guān)頻率來適應(yīng)正常操作,并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中,基本架構(gòu)能夠通過元件修改來輕易擴(kuò)展,從而也能驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的LED串。
2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電
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(dòng)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。
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€性或開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器,它集成1.5 A開關(guān),可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V,具有235 mV的低反饋電壓,工作頻率可調(diào)節(jié),最高250 kHz。其它特性包括:能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。
為L(zhǎng)ED提供保護(hù)
如前所述,LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案,還需要為L(zhǎng)ED提供適當(dāng)?shù)谋Wo(hù),因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣,可能是因?yàn)長(zhǎng)ED早期失效,也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施,特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高),或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等),或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。
在這方面,可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。圖5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。
在LED正常工作時(shí),泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí),LED就會(huì)開路,這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活,所帶來的壓降僅為1.0 V,將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝,設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V),如果散熱處理恰當(dāng),也支持大于1 A電流的操作。
總結(jié)
相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源,LED具有能效高、壽命長(zhǎng)、指向性好等眾多優(yōu)勢(shì),越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場(chǎng)。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)用涉及多方面的要求,需要從系統(tǒng)的角度去考慮,如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動(dòng)、散熱和光學(xué)等。