適合LED街燈應用的高能效28 V、3.3 A LED驅動器設計

        隨著LED在性能及成本幾乎各個方面的持續(xù)改進，LED照明正在用于越來越寬的應用領域，其中LED街燈就是業(yè)界關注的一個焦點。安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，針對各類LED照明應用提供豐富的驅動器、穩(wěn)壓器/穩(wěn)流器，及通信、光傳感器、MOSFET、整流器、保護、濾波器及熱管理產(chǎn)品等完整方案。本文將介紹一款用于LED街燈等應用的28 V、3.3 A的離線高功率因數(shù)LED驅動器設計。這設計基于安森美半導體的NCL30001 LED驅動器及NCS1002恒壓恒流控制器，采用90至265 V交流電壓供電，提供最大90 W的輸出功率，具有高功率因數(shù)，同時符合相關諧波含量標準，并能夠配合脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光。

單段拓撲結構LED驅動器+次級端CVCC控制器組合

        NCL30001是一種單段拓撲結構LED驅動方案，其靈活的特性非常適合應用于新的LED照明產(chǎn)品。這款采用單段集成功率因數(shù)校正(PFC)和隔離型降壓交流-直流(AC-DC)電源轉換的離線式LED驅動器省去了專用PFC升壓段，可以減少元件數(shù)量，降低方案成本，配合提高LED電源系統(tǒng)總能效，用于LED街燈、低頂燈、外墻燈和建筑物照明等應用。

        NCL30001采用連續(xù)導電模式(CCM)工作，這種方案集成了PFC和隔離型DC-DC轉換電路，并提供恒定電流來直接驅動LED。它相當于將AC-DC轉換與LED驅動兩部分電路整合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，省去了LED光條中集成的線性或DC-DC轉換器。這種整體式方案的電源轉換段更少，減少元器件使用數(shù)量(如光學元件、LED、電子元件及印制電路板等)，降低系統(tǒng)成本，并支持更高的LED電源總體能效。當然，這種方案的功率密度更高，可能并不適合所有區(qū)域照明應用，其光學圖案可能更適合較低功率的LED，典型應用包括LED街燈、外墻燈、洗墻燈及電冰箱箱體照明等。

        NCL30001控制器的其他規(guī)格特性還包括高壓啟動電路、電壓前饋以改善環(huán)路響應、輸入欠壓檢測、內(nèi)部過載定時器、閂鎖輸入，以及減少輸入線路諧波的高精度乘法器。安森美半導體還提供這器件的隔離型單段功率因數(shù)校正LED驅動器評估板，用于要求直接恒流輸出的40 W到100 W功率范圍的應用。電流可在0.7 A至1.5 A之間調(diào)節(jié)，配合更寬范圍的大功率高亮度LED。

        NCS1002是一款次級端恒壓恒流(CVCC)控制器，適合LED街燈等區(qū)域照明應用，配合NCL30001控制器更可以設計出高功效、具有調(diào)光功能的LED驅動器演示板。

基于NCL30001和NCS1002的90 W演示板

        為了幫助工程師盡快實施照明設計，安森美半導體還提供90 W恒壓恒流演示板，它可接受90至265 Vac的擴展通用輸入電壓(更換元件條件下可支持305 Vac)，提供0.7 A至1.5 A的恒定電流輸出范圍及30 V至55 V的恒定輸出電壓范圍(可通過電阻分壓器來選擇)，最大輸出功率90 W，支持50至1,000 Hz調(diào)光控制，并包含可連接至可選調(diào)光卡的6引腳接口，用于模擬電流調(diào)節(jié)/雙亮度等級數(shù)字調(diào)光等智能調(diào)光應用。此外，這款演示板還提供短路保護、開路保護、過溫保護、過流保護及過壓保護等豐富保護特性。測試顯示，這演示板在50 W輸出功率、1,000 mA輸出電壓/48 V正向壓降條件的能效高于87%，在50%至100%負載條件下功率因數(shù)高于0.9，同時符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準。

 
圖1：演示板頂視圖

        由于這種設計可以有標準NCL30001評估板(50V2A)相媲美的功率水平，電路原理的變化在于變壓器的設計，以及基于NCS1002的恒定電流/恒定電壓次級側控制電路。圖2所示為初級側電路。這個設計的反激變壓器源于原有設計的次級繞組，可以滿足新的最高電壓和電流要求。初級繞組所需的電感和整體結構基本上相同。277 VAC輸入可以利用適當?shù)念~定電壓來改變EMI輸入濾波器的“X”和“Y”電容器。

 
圖2：NCL30001 CVCC 90 W演示板初級側原理圖

        使用NCL30001連續(xù)導通模式功率因數(shù)校正單段反激式控制器，可以實現(xiàn)高架、隧道、停車場和道路照明等區(qū)域照明應用的恒定電流LED驅動器。這種特殊設計是針對需要大于3A的驅動能力的LED而優(yōu)化的，如Luminus Devices公司的CSM360和SST90。這種設計可以支持多達8個SST90串聯(lián)或2個CSM360器件。CSM360 LED在驅動電流為3.2A條件下標稱正向電壓為12.8 V，這取決于色溫和光通量可以產(chǎn)生1600-3900流明。

        次級側控制電路如圖3所示。在本設計中，輸出電壓是由一個電阻率確定的，輸出電流也是基于一個電阻率設置的。因此，只有兩個電阻需要改變：一個是輸出電壓分壓器R34，另一個是電流設置電路的一部分的R32。此外，由于輸出電壓較低而輸出電流較高，增加了輸出電容，同時降低了電容器的額定電壓。

 
圖3：次級側原理圖

        利用這個電路可以實現(xiàn)具有PWM調(diào)光輸入和可選調(diào)光卡的30 Vout LED驅動器CVCC次級檢測。

總結

        高能效照明正在成為業(yè)界競逐的一個焦點。本文重點介紹安森美半導體針對LED街燈應用的90 W LED驅動器設計，這設計提供高功率因數(shù)，符合IEC61000-3-2 C類設備諧波含量標準，并能配合PWM調(diào)光。客戶利用安森美半導體的高能效產(chǎn)品及參考設計，能夠加快產(chǎn)品上市進程。

[參考資料]：

1、 NCL30001, NCS1002: Up to 28 V, 3.3 A Constant Current Offline High PF LED Driver，安森美半導體，www.onsemi.cn/pub/Collateral/DN06068.PDF