安森美半導(dǎo)體用于LED燈泡等應(yīng)用的NCL3008x高能效初級端穩(wěn)流方案

近年來，世界上多個(gè)國家制定政策以分階段淘汰白熾燈泡。如中國計(jì)劃于2015年60W 以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。熒光燈及緊湊型熒光燈(CFL)的能效比白熾燈高，但含劇毒物質(zhì)汞，存在環(huán)保顧慮。相比較而言，具備環(huán)保優(yōu)勢、近年來成本穩(wěn)步下降的高亮度白光LED技術(shù)已經(jīng)快速改進(jìn)，如今在光輸出方面已可與CFL等正面交鋒，并且還大幅提升能效及延長使用壽命，適合于白熾燈泡替代等LED通用照明應(yīng)用。

LED燈泡的驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)及常見驅(qū)動(dòng)方法

大多數(shù)LED是低壓器件，最適合采用恒定電流驅(qū)動(dòng)。要在通用照明應(yīng)用中最大限度發(fā)揮LED節(jié)能優(yōu)勢，就要采用適合的LED驅(qū)動(dòng)電路。

以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅(qū)動(dòng)電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件。就驅(qū)動(dòng)電路而言，高能效LED驅(qū)動(dòng)器IC無疑是其中的重點(diǎn)。因?yàn)長ED燈泡的形狀固定，散熱受限，采用高能效LED驅(qū)動(dòng)器則可幫助將更多電能轉(zhuǎn)化為光能，幫助散熱。此外，由于LED燈泡空間有限，故須減小驅(qū)動(dòng)電子電路的尺寸以使剩余空間增多，同時(shí)增大散熱片面積;較大功率的燈泡尤為如此。不僅如此，LED正在發(fā)生迅速變化，提供多種選擇，這對LED驅(qū)動(dòng)器的選擇也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。出于安規(guī)、LED選擇等因素，設(shè)計(jì)人員還須考慮是采用隔離還是非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此也影響到LED驅(qū)動(dòng)器的選擇。

一種常見的LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隔離型反激(見圖2)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除了提供電氣安全隔離以外，還能對LED串要求的電流進(jìn)行穩(wěn)流。安全低壓次級端的電路感測LED電流及電壓，并在安全界限內(nèi)提供反饋信號，以控制電源轉(zhuǎn)換過程。次級端元件包括偏置電路、雙運(yùn)算放大器、精密參考、用于反饋的光耦，以及用于監(jiān)測LED電流及感測過壓保護(hù)故障的電流及電壓感測電阻等。

這種經(jīng)典方案的優(yōu)勢與缺點(diǎn)并存。例如，它可以輕易地實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)流，且能夠在寬工作范圍及制造差異條件下可靠地工作。但這種方案的次級端控制電路消耗電能，由于此電能未轉(zhuǎn)化為光，故降低了能效。此外，次級端的元器件在印制電路板上占用空間并增加成本。最后，如果次級端任何元件有故障，仍須把驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成就算有故障也保安全。

克服經(jīng)典方案缺點(diǎn)的新穎的初級端穩(wěn)流技術(shù)

有利的是，設(shè)計(jì)人員可以選擇一種新的控制架構(gòu)，將所要求的LED穩(wěn)流功能從次級端移到初級端，即采用初級端穩(wěn)流(PSR)技術(shù)(亦稱“初級端控制”)，見圖3。初級端穩(wěn)流方案無須光耦，以及次級端恒流恒壓(CCCV)控制環(huán)路元件，如運(yùn)算放大器、TL431或齊納參考、偏置穩(wěn)壓器、電流感測電阻及用于過壓保護(hù)的電壓感測等，同時(shí)在初級端維持高穩(wěn)流精度。這就提供減少元件數(shù)量、簡化PCB布線、節(jié)省電路板空間、簡化LED選擇、提升能效及輕易符合安規(guī)等諸多優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通過消除次級端控制，能夠省去占用寶貴電路板空間的16至18顆甚或更多元件，這對A19 LED燈泡等應(yīng)用尤為重要。

安森美半導(dǎo)體應(yīng)用初級端穩(wěn)流技術(shù)的NCL3008x系列LED驅(qū)動(dòng)器功能及優(yōu)勢

安森美半導(dǎo)體的NCL3008x系列準(zhǔn)諧振初級端電流模式控制器使用初級端穩(wěn)流技術(shù)，為反激及非隔離降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高精度的恒定電流，非常適合于LED照明應(yīng)用。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083。這些器件提供TSOP-6及Micro-8封裝，還可根據(jù)客戶需求提供SOIC-8封裝。NCL3008x系列提供0.8至0.9甚至更高的功率因數(shù)，符合美國“能源之星”對輸入功率大于5 W之燈泡功率因數(shù)高于0.7的要求。這些器件的引腳數(shù)量及功能不盡相同，分別針對不同的細(xì)分應(yīng)用，詳見表1。

NCL3008x系列的關(guān)鍵優(yōu)勢包括：

1) 一流的初級端穩(wěn)流精度。由于初級端穩(wěn)流精度高，能夠補(bǔ)償線路輸入電壓變化，不受常規(guī)變壓器制造差異影響，可簡化LED的選擇(無須使用過高規(guī)格/過高成本的元件來滿足流明輸出要求)，能支持2:1輸出正向電壓變化(無須對LED進(jìn)行編碼，可將一個(gè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于多種產(chǎn)品，且在LED性能提升后還能使用相同的驅(qū)動(dòng)器);

2) 采用準(zhǔn)諧振模式工作以提供高能效，僅產(chǎn)生少量電磁干擾(EMI);

3) 提供強(qiáng)固的保護(hù)特性，如過壓保護(hù)/LED開路保護(hù)、次級端二極管短路保護(hù)、過熱關(guān)閉、輸入欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、短路保護(hù)、短路電流感測、提供閂鎖及自動(dòng)恢復(fù)版本等。

4) 靈活的產(chǎn)品系列。提供不同功能組合，配合用戶不同應(yīng)用需求。

這些器件中，NCL30080是簡單及低BOM成本版本，NCL30081則增加了5步準(zhǔn)對數(shù)調(diào)光功能。NCL30082具備熱反走/過壓保護(hù)及模擬/數(shù)字調(diào)光功能，還增加了5步準(zhǔn)對數(shù)調(diào)光及軟啟動(dòng)功能。

基于NCL3008x系列的A型燈LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)示例

安森美半導(dǎo)體開發(fā)了基于NCL3008x系列的多種LED A型燈參考設(shè)計(jì)。測試顯示，這些設(shè)計(jì)提供高穩(wěn)流精度、高功率因數(shù)及高能效。

1) 基于NCL30082B1的初級端反饋、高功率因數(shù)、TRIAC可調(diào)光A型燈LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

2) 基于NCL30080的初級端反饋、反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)A型燈LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

3) 基于NCL30082/3的初級端反饋、分步調(diào)光、反激A型燈LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

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總結(jié)：

安森美半導(dǎo)體針對交流供電LED照明應(yīng)用開發(fā)了專有的初級端恒流控制技術(shù)，并應(yīng)用在NCL3008x系列目前已有的4款高能效諧振模式初級端控制器上。這系列產(chǎn)品提供多種應(yīng)用優(yōu)勢，能夠幫助設(shè)計(jì)減少元件數(shù)量、節(jié)省電路板空間、提升能效、簡化LED選擇及提供高能效，且提供優(yōu)化的功能組合，以應(yīng)對客戶不同應(yīng)用需求。