安森美半導(dǎo)體AC-DC LED通用照明方案

根據(jù)市場研究機構(gòu)的預(yù)估，到2015年中國LED通用照明需求將達100億美元，2020年將達220億美元。LED照明逐步取代傳統(tǒng)照明是大勢所趨。不過，LED通用照明有許多挑戰(zhàn)，如功率密度、功率因數(shù)校正(PFC)、空間受限和可靠性等。安森美半導(dǎo)體致力于為LED照明提供寬廣陣容解決方案，推出各種符合最新LED照明標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，包括用于通用照明的AC-DC LED驅(qū)動電源方案。

通用照明挑戰(zhàn)及交流主電源供電LED驅(qū)動器拓撲

由于LED總光效要求及散熱限制，能效對低功率應(yīng)用尤其重要；許多情況下，即使是較低功率應(yīng)用也要求功率因數(shù)校正和諧波處理；在空間受限應(yīng)用中，特別是替代燈泡應(yīng)用，要求有很高的驅(qū)動功率密度；總體電源可靠性對整個燈的壽命非常重要；寬輸入電源電壓范圍應(yīng)支持高達277 Vac；兼容TRIAC調(diào)光等要求。此外，LED通用照明還要符合演進的標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范，如“能源之星”和IEC要求。

根據(jù)應(yīng)用要求(尺寸、能效、功率因數(shù)、功率、驅(qū)動電流)不同，以交流主電源驅(qū)動LED有多種拓撲。安森美半導(dǎo)體提供各種電源方案，可用于各種照明應(yīng)用。

圖1：不同交流主電源供電LED驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)

安森美半導(dǎo)體LED通用照明AC-DC解決方案

1) 功率因數(shù)校正方案

采用安森美半導(dǎo)體的NCP1611或NCP1612的160 W功率因數(shù)校正(PFC)升壓方案采用非隔離升壓拓撲，輕載能效高于傳統(tǒng)CrM PFC；無須額外元件，可靠性及安全性高。該方案采用電流控制頻率反走(CCFF)CrM，有升壓或旁路二極管短路保護、引腳開路/短路保護、優(yōu)化的瞬態(tài)響應(yīng)、軟過壓保護、輸入欠壓檢測、低總諧波失真配置、過熱關(guān)閉等特性。

這類PFC方案還包括NCP1607、NCP1608、NCP1615和NCP1654(非隔離反壓)；NCL30000(隔離單級反激、非隔離降壓)；NCL30001(隔離單級反激)；NCL30002(非隔離降壓)；NCL30060(單級反激或降壓)。

以NCL30000為例，“平均電流穩(wěn)流”拓撲可以選擇兩種配置，一種是降壓配置(包含抽頭電感降壓配置)；另一種是降壓-升壓配置，電感沒有與LED串串聯(lián)，輸入電流波形或失真與輸出壓降無關(guān)。它可進行初級可控硅調(diào)光，適用于隔離和非隔離方案，隔離方案能效80－85％。

2) 初級端控制離線方案

初級端穩(wěn)流(PSR)也稱初級端控制。初級端控制離線LED驅(qū)動器不使用光耦，具有±1%(典型值)的精密LED穩(wěn)流精度、寬VCC范圍、高能效準(zhǔn)諧振控制、強固的保護特性組合，以及寬工作溫度范圍(-40至+125℃)；支持反激及降壓-升壓拓撲，帶無源PFC輸入的功率因數(shù)約0.9；該系列可應(yīng)用于LED燈泡替代、離線LED驅(qū)動器、嵌燈、室內(nèi)/室外重點照明及任務(wù)燈及LED電子控制裝置。

圖2：初級端控制離線方案

可供選擇的器件有NCL30080A/B、NCL30081A/B、NCL30082A/B和NCL30083A/B(無源PFC控制)；NCL30085A/B、NCL30086A/B、NCL30087A/B和NCL30088A/B(有源PFC控制)。其調(diào)光控制包括非調(diào)光、3步/5步調(diào)光、模擬/數(shù)字、雙向可控硅/后緣觸發(fā)調(diào)光等。

3) AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器

安森美半導(dǎo)體針對隔離反激式和非隔離式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)穩(wěn)壓器包括NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1014/15、NCP1027/28、NCP1072/5、NCP1076等。這些器件均為電流模式，峰值電流限制從100 mA至800 mA。這些方案集成了MOS管，適用于隔離和非隔離應(yīng)用，支持次級PWM調(diào)光、模擬調(diào)光或雙亮度等級調(diào)光，能效高達75－80％。

4) 用于高壓LED串的高功率因數(shù)升壓方案

高壓多結(jié)點LED正變得更加常見，因為供應(yīng)商趨向更好地優(yōu)化LED以提升系統(tǒng)總光效，并引入更加專用化的LED。這些LED每封裝的正向電壓可達24至200 V，可以優(yōu)化用于定點照明、全向照明或線性照明。為了以低元件數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成電感實現(xiàn)此目標(biāo)，電路中使用了NCP1075單片高壓開關(guān)穩(wěn)壓器及高精度的NCP4328A恒流/恒壓控制器。

該方案能效高于90%，具有20 ms的快速啟動時間、LED開路保護、可使用現(xiàn)有電感、功率因數(shù)高于0.95，以及采用NCP1075時功率能力大于10 W的特性，應(yīng)用主要是LED燈泡及燈管、低功率光源及燈具、電子控制裝置和LED驅(qū)動器。

圖3：高壓LED串高功率因數(shù)升壓方案

5) AC-DC開關(guān)控制器

針對隔離和非隔離降壓、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器有固定頻率的NCP1200、NCP1203、NCP1218、NCP1219、NCP1230、NCP1234/6、NCP1237/8、NCP1250/1/3；還有準(zhǔn)諧振的NCP1207A、NCP1308、NCP1337/38、NCP1377、NCP1379/80和NCP1336。針對非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器則有LV5011MD、LV5012MD、LV5026MC、LV5029MD、NCL30002和NCL30105。此外還有諧振半橋變換器的開關(guān)控制器NCP1392/3、NCP1398及開關(guān)組合控制器NCL30051和NCL30030。

圖4：采用NCL30030的AC-DC開關(guān)控制器LED驅(qū)動方案

6) 離線降壓LED驅(qū)動器

NCL30002是支持高功率因數(shù)或低紋波降壓拓撲的高能效CrM控制方法，具有485 mV峰值電流感測精度±2%(典型值)、低至24 μA(典型值)的啟動電流；最大Vcc達20 Vdc；帶有500 mA源/800 mA汲MOSFET門極驅(qū)動器；寬工作溫度范圍-40至+125℃。其應(yīng)用有LED燈泡(包括小型蠟燭燈)替代、嵌燈、室內(nèi)/定外重點照明及任務(wù)燈。

圖5：采用NCL30002的小型設(shè)計

7) 非隔離離線降壓控制器

LV5026MC是一款非隔離離線降壓控制器，支持不同調(diào)光控制(TRIAC、模擬及PWM)、可選擇開關(guān)頻率(50 kHz或70 kHz)、低噪聲開關(guān)系統(tǒng)；具有短路保護、軟啟動和內(nèi)置TRIAC穩(wěn)定功能。應(yīng)用包括壁燈、任務(wù)燈、臺階燈和LED燈泡替代。

圖6：非隔離離線降壓控制器

8) 可調(diào)光LED驅(qū)動器

LV50xx中的LV5026MC、LV5029MD、LV5011MD和LV5012MD都是可調(diào)光LED驅(qū)動器。以LV5011MD和LV5012MD為例，兩者開關(guān)頻率均為70 kHz，可提升功率因數(shù)，具有、外部調(diào)節(jié)參考電壓、過壓保護、過熱關(guān)閉功能。兩者的不同之處在于調(diào)光模式，均可用于小型可調(diào)光LED燈泡、離線LED驅(qū)動器和嵌燈。

圖7：可調(diào)光LED驅(qū)動器

9) 非隔離線性LED驅(qū)動器拓撲的恒流穩(wěn)流器(CCR)

一種是低電流LED串驅(qū)動器CCR NSIC2020 (120 V, 20 mA)，其交流電壓上升時電流仍保持恒定，達到LED閾值電壓后導(dǎo)通無延遲，低電壓時LED亮度高，可防止LED受電壓浪涌影響。另一種用于低成本T5 LED燈管，采用CCR NSIC2050 (120 V, 50 mA)LED驅(qū)動器，可直接交流驅(qū)動LED，無漏電流，穩(wěn)流可保護LED。

圖8：低成本T5 LED燈管電路

10) 用于街道及區(qū)域照明的LED電源

替代高強度氣體放電燈(HID)或高壓鈉燈(HPS)，要使用大LED陣列。根據(jù)終端產(chǎn)品不同，LED可配置為不同結(jié)構(gòu)。一種方法是將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流穩(wěn)壓輸出，并為多個并聯(lián)LED燈條供電。另一種方法是提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED，省去燈條中內(nèi)置的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換段。

圖9a：方法1 -- 將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流穩(wěn)壓輸出

第二種方法旨在配合“能源之星”1.1版光源規(guī)范，其特點包括：通用輸入范圍90 - 265 Vac(更改元件可支持305 Vac)；最大輸出功率60 W(更改元件NCL30051最高支持250 W功率)；功率因數(shù)PF大于0.9(50-100%負載，帶調(diào)光)；諧波含量遵從IEC61000-3-2 class C標(biāo)準(zhǔn)；Iout = 1000 mA/Vf = 35至45 V條件下，能效大于90%；恒流輸出電流范圍0.7 - 1.5 A；輸出電壓范圍35 - 50 V；輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護-自動恢復(fù)、過壓保護-輸入(OVP大電壓)等保護特性。

圖9b：方法2 --提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體利用在電源管理、高能效電源及封裝方面的核心專長及優(yōu)勢，為LED照明應(yīng)用，特別是通用照明提供了符合各種規(guī)范要求控制和驅(qū)動器件。這些方案采用獨特的LED驅(qū)動電源架構(gòu)、模擬及調(diào)光技術(shù)、反激轉(zhuǎn)換器及非隔離拓撲，適用于各種通用照明應(yīng)用，為這些設(shè)備的實現(xiàn)提供了豐富的選擇。