基于TRIAC的LED驅(qū)動(dòng)器

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。據(jù)國際能源署(IEA)估計(jì)，全球消耗的電能中有19%是用于照明。因此，近年來，世界各國紛紛致力于以更高能效的方案來替代低能效的白熾燈光源。

而隨著發(fā)光二極管(LED)在流明輸出及光效方面持續(xù)快速進(jìn)步，同時(shí)，平均每流明光輸出的成本也在下降，再結(jié)合LED在高指向性、長壽命和低維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢，LED照明(也稱固態(tài)照明，或SSL)成為一種極為引人注目的替代解決方案。

1、設(shè)計(jì)途徑：采用單段式方案提供高功率因數(shù)

要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、電源能效目標(biāo)及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于功率目標(biāo)較低，傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。因此，我們使用了基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本。但采用單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)也會受到一些影響，如無初級高壓能量存儲，輸出電壓保持時(shí)間較短。另外，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來滿足維持要求，及對動(dòng)態(tài)負(fù)載反應(yīng)較慢等。有利的是，這對眾多LED照明應(yīng)用而言不構(gòu)成問題，因?yàn)長ED照明應(yīng)用無系統(tǒng)維持時(shí)間要求，而且紋波匯入平均光輸出，人眼不會察覺。

設(shè)計(jì)針對高功率因數(shù)(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求，并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形。這對兼容TRIAC調(diào)光非常重要，因?yàn)門RIAC調(diào)光器原本用于白熾燈，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻，即充當(dāng)電阻型負(fù)載。用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相。

圖1顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。從圖1中可以看出，隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個(gè)主要功能，一是緊密穩(wěn)流350 mA的恒定電流，并為初級端提供反饋，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，對流經(jīng)LED的恒定電流進(jìn)行穩(wěn)流;二是在發(fā)生開路事件時(shí)，進(jìn)入恒壓控制模式，在故障事件下產(chǎn)生穩(wěn)壓固定電壓。開路電壓穩(wěn)壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制。此外，無意中碰到輸出短路時(shí)，還能限制功率，避免損壞LED。

圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)簡化框圖。

2、測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，這參考設(shè)計(jì)的性能超過了表2中所列的全部設(shè)計(jì)目標(biāo)，參見圖2。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)和輸入電流總諧波失真，可以看出這參考設(shè)計(jì)的功率因數(shù)很高(超過商業(yè)照明0.9的最低功率因數(shù)要求)，總諧波失真低(<20%)。圖3顯示了不同負(fù)載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個(gè)工作點(diǎn)下的能效作平均計(jì)算，可得出總平均能效為80.7%;而在50%至100%負(fù)載的關(guān)鍵工作區(qū)域，能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設(shè)計(jì)定下的80%能效目標(biāo)，還超過了EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)對15W電源79.1%的能效要求。損耗來源中包含輸入EMI段支持TRIAC調(diào)光所需的15歐姆限流電阻的能耗。

圖2：90至135 Vac輸入線路電壓條件下的功率因數(shù)和總諧波失真。

圖3：輸入電壓為115 Vac時(shí)不同負(fù)載條件下的能效。

總結(jié)：

要設(shè)計(jì)滿足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線LED驅(qū)動(dòng)器存在不少挑戰(zhàn)。本參考設(shè)計(jì)文檔顯示，安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint?參考設(shè)計(jì)達(dá)到了所有關(guān)鍵性能指標(biāo)，如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應(yīng)用固態(tài)照明功率因數(shù)要求，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關(guān)鍵負(fù)載條件下的能效要求。這參考設(shè)計(jì)還為系統(tǒng)開發(fā)人員提供靈活性，使他們能夠升高或降低功率，滿足不同功率應(yīng)用的要求。

這種途徑讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活應(yīng)對LED光效提升，便于他們設(shè)計(jì)LED數(shù)量更少但仍提供預(yù)期光輸出的燈具。現(xiàn)在的LED燈或許會有一些問題，但是我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在我們科研人員的努力下，這些問題終將唄解決，未來的LED一定是高效率，高質(zhì)量的。