不同電源及功率等級(jí)的LED照明驅(qū)動(dòng)器方案

  隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的小功率便攜產(chǎn)品背光拓展至中大功率的室內(nèi)照明、室外照明及手電筒等應(yīng)用。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源的不同，LED照明通?？梢詣澐譃榻涣?直流(AC-DC)LED照明、直流-直流(DC-DC)LED照明電源以及電池供電的LED手電筒等不同類型，LED燈具及其功率也各不相同，如3WPAR16、3×2WPAR20、10W/15WPAR30、15W/22WPAR38、1WG13、3WGU10、1WMR11、3WMR16、3W/9W/15W嵌燈、1W-3W閱讀燈等。

    1，AC-DCLED照明解決方案

    安森美半導(dǎo)體在AC-DC電源供電的LED照明應(yīng)用中，提供各種離線控制器及功率因數(shù)校正(PFC)控制器，并配合隔離及非隔離要求提供不同的LED應(yīng)用方案。在交流線路電壓與LED之間沒有物理電氣連接的隔離應(yīng)用中，常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有反激(Flyback)及雙電感加單電容(LLC)半橋諧振。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于不同的功率范圍或是用于滿足特別的設(shè)計(jì)要求。例如，反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是小于100W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而LLC半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是大功率和高能效的首選方案。

圖1：不同功率范圍的隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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    AC-DCLED照明應(yīng)用中，小功率的LED應(yīng)用通常以恒流(CC)來驅(qū)動(dòng)，而恒壓(CV)功能是在輸出開路的情況下作為保護(hù)功能。大功率的LED應(yīng)用可能需要在電路中增加功率因數(shù)校正(PFC)，其中的AC-DC轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動(dòng)兩部分電路既可能采用整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，也可以采用分布式(distributed)配置，如圖2，從而簡(jiǎn)化安全考慮，并增加系統(tǒng)靈活性。

圖2：大功率LED驅(qū)動(dòng)的分布式(distributed)配置結(jié)構(gòu)

從應(yīng)用的具體功率范圍來看，AC-DCLED照明的電源方案應(yīng)用主要包括：

    -1W-8W：G13/GU10/PAR16/PAR20照明

    -8W-25W：PAR30/PAR38照明

    -50W-300W：區(qū)域照明[!--empirenews.page--]

    1)1W-8WAC-DCLED照明應(yīng)用

    這類應(yīng)用要求的輸入電壓為90至264Vac，能效達(dá)80%，同時(shí)提供短路保護(hù)、過壓保護(hù)等保護(hù)特性，并提供350mA、700mA恒流，應(yīng)用領(lǐng)域包括G13、GU10、PAR16、PAR20及嵌燈(downlight)等。

    這類應(yīng)用中可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開關(guān)穩(wěn)壓器。這顆器件集成了固定頻率(65/100/130kHz)電流模式控制器和700V的高壓MOSFET，提供構(gòu)建強(qiáng)固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)及動(dòng)態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。圖3顯示的是NCP1015在隔離型1W-8W范圍AC-DCLED照明應(yīng)用的電路示意圖。值得一提的是，NCP1015同樣可用于非隔離型(電路中不含高頻變壓器)1W-8W范圍的AC-DCLED照明應(yīng)用，電路中可以采用抽頭(tapped)電感來提高M(jìn)OSFET工作的占空比，并改善系統(tǒng)能效及電路性能。

圖3：安森美半導(dǎo)體8 W LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路示電圖(輸入電壓為85至264 Vac)

  2)8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用

    美國(guó)能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9。但這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)，即可以選擇不遵從或是遵從。

    相應(yīng)地，在8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用中，我們考慮兩種情況，一種是應(yīng)用沒有功率因數(shù)要求，即不需采用PFC控制器，另一種是要求采用PFC控制器。在不需要PFC的應(yīng)用中，我們假定輸入電壓規(guī)格為90~132Vac或180~264Vac(或通用輸入)，能效達(dá)85%，提供短路保護(hù)及開路保護(hù)等保護(hù)特性，輸出電流為350mA、700mA及1A恒流，相應(yīng)地可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351。其中，NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開關(guān)穩(wěn)壓器，適用于在通用主電源輸入的應(yīng)用中提供數(shù)瓦至15W的輸出功率。NCP1028的導(dǎo)通阻抗比NCP101x更低，提供800mA峰值電流，具備NCP101x的諸多特性，此外還提供過功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性。NCP1351則是一款固定導(dǎo)通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間脈寬調(diào)制(PWM)控制器，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線反激開關(guān)電源應(yīng)用。這顆器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動(dòng)、負(fù)電流感測(cè)及擴(kuò)展的電源電壓范圍等特性。圖4顯示的是90至264Vac輸入條件下基于NCP1351的8W-25WLED照明方案。

圖4：基于NCP1351的8 W至25 W AC-DC LED照明應(yīng)用電路示意圖。[!--empirenews.page--]

  需要PFC的8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用中，假定輸入電壓規(guī)格為90至264Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效達(dá)80%，提供短路及過功率保護(hù)，輸出電流同樣有350mA、700mA和1A等不同選擇。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607或NCP1608PFC控制器。NCP1607是一款高性價(jià)比的臨界導(dǎo)電模式(CrM)PFC控制器。這顆器件與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)引腳完全兼容，簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)?？烧{(diào)節(jié)的過壓保護(hù)(OVP)及環(huán)路開路保護(hù)等功能也增強(qiáng)了設(shè)計(jì)靈活性及強(qiáng)固性。圖5展示的是NCP1607/NCP1608在85至135Vac或185至264Vac輸入條件下的LED照明應(yīng)用方案。

圖5：基于NCP1607/8 PFC控制器的8 W-25 W AC-DC LED照明應(yīng)用示意圖

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    3)功率高于50W的AC-DCLED照明應(yīng)用

    在功率50W到300W的AC-DCLED應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明應(yīng)用中，可以采用不同的LED驅(qū)動(dòng)方案，假定其輸入電壓規(guī)格為90至264Vac，功率因數(shù)高于0.95，能效達(dá)90%。

    此類應(yīng)用可以采用下述不同方案，適合不同應(yīng)用要求：

    NCP1652：改進(jìn)型單段式PFC

    NCP1607/8+NCP1377：臨界導(dǎo)電模式PFC+準(zhǔn)諧振電流模式PWM

    NCP1607/8+NCP1396：臨界導(dǎo)電模式PFC+半橋諧振LLC

    NCP1901：最新型兩段式(PFC+更高效率半橋諧振LLC)

 例如，在50W-150W的AC-DCLED應(yīng)用中，既可以采用NCP1652這樣的改進(jìn)型單段式PFC控制器，也可以結(jié)合采用NCP1607/8PFC控制器及NCP1377準(zhǔn)諧振(QR)模式PWM控制器。其中，NCP1377結(jié)合了真正的電流模式調(diào)制器和退磁檢測(cè)器，確保任何負(fù)載/線路條件下提供完整的CrM工作，并確保最低的漏電壓開關(guān)(準(zhǔn)諧振工作)。NCP1652驅(qū)動(dòng)帶有可編程死區(qū)時(shí)間的信號(hào)，支持有源鉗位或同步整流，提供優(yōu)化的能效。這顆器件還具有輸入欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)特性，支持頻率抖動(dòng)、跳周期及臨界導(dǎo)電模式(CrM)/不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)工作。基于NCP1652、采用85至135Vac或185至264Vac輸入的50W-150WAC-DCLED方案的示意圖如圖6所示。

圖6：基于NCP1652單段式PFC控制器的50 W-150 W AC-DC LED方案。

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    50W以上功率的AC-DCLED照明應(yīng)用如果需要更高能效的LED電源，則需要高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，往往從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。NCP1396及NCP1901均是安森美半導(dǎo)體開發(fā)的LED電源用高能效半橋諧振方案。圖7顯示的是基于NCP1901的最新型PFC+諧振半橋LED驅(qū)動(dòng)器方案，輸入電壓為90至264Vac，功率100W至300W，其中半橋段工作在固定頻率以及固定占空比，用于降低開關(guān)損耗。

圖7：基于NCP1901的100W-300 W AC-DC LED照明方案

2，DC-DCLED照明方案

    采用DC-DC電源供電的LED照明應(yīng)用中，常見具體應(yīng)用包括1W-3WMR11/MR16降壓LED燈泡、1W-20W升壓LED驅(qū)動(dòng)器和20W-60W大功率LED驅(qū)動(dòng)器。

    其中，在1W-3WDC-DCLED照明應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器，這顆器件兼容于12V及24V系統(tǒng)，提供達(dá)350mA的LED驅(qū)動(dòng)電流，能夠在24V系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)7個(gè)串聯(lián)的LED，能效高達(dá)94%。這顆器件采用有專利的開關(guān)控制架構(gòu)，幫助降低系統(tǒng)成本，支持CrM工作并提升能效。CAT4201還提供限流、熱保護(hù)及LED開路保護(hù)等全面的保護(hù)特性。這顆器件在1W-3WDC-DCLED應(yīng)用中的電路示意圖如圖8所示。

圖8：基于CAT4201的1 W-3 W DC-DC LED方案。

    而在功率范圍達(dá)1W-20W的DC-DC升壓LED應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP3065/6或NCV3065/6(汽車應(yīng)用版本)降壓、升壓、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)及逆變多模LED驅(qū)動(dòng)器，并選擇其中的升壓電路模式。另外，功率范圍達(dá)20W-60W的DC-DC降壓LED應(yīng)用中可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1034同步降壓PWM控制器。

 3，LED手電筒驅(qū)動(dòng)方案

    手電筒DC-DCLED照明方案包括升壓型及降壓型兩種。1W-3W的升壓型DC-DCLED手電筒應(yīng)用中可以采用帶真關(guān)閉功能的NCP1421升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，而1W-3W的降壓LED手電筒應(yīng)用中可以采用NCP1529低壓降壓轉(zhuǎn)換器，二者的應(yīng)用示意圖見圖9。

圖9：基于NCP1421及NCP1529的LED手電筒升壓和降壓方案

    4，總結(jié)

    安森美半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供涵蓋1至數(shù)百瓦功率范圍的LED照明驅(qū)動(dòng)及PFC解決方案。無論是采用AC-DC電源、DC-DC電源或是LED手電筒所采用的電池的LED照明驅(qū)動(dòng)器，安森美半導(dǎo)體都能提供給客戶對(duì)低成本、高性價(jià)比、高能效或是選擇是否需要PFC的不同要求的LED照明驅(qū)動(dòng)器方案。