半導體中高功率照明LED驅動器方案

LED的諸多優(yōu)點已經(jīng)使其逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，在小功率應用上越來越多地出現(xiàn)在我們日常工作生活中，而在我們傳統(tǒng)定義的20至400瓦的中高功率照明范圍內，熒光燈、高強度氣體放電燈還是主流。但隨著大功率LED產品的不斷推陳出新，模塊化的LED燈條、大陣列LED等產品的出現(xiàn)，公路、體育館、戶外大型設施等需要大功率照明的應用場景中也越來越多出現(xiàn)LED產品的身影。

LED照明電路相對設計簡單、能集成控制、可方便實現(xiàn)調光、能有效降低電力消耗，所以在強調智能、綠色照明的今天，中高功率LED產品逐步替代高強度氣體放電燈（HID）等傳統(tǒng)光源已經(jīng)是大勢所趨。但我們也看到模塊化的LED燈條和陣列對電源驅動的要求不盡相同，如何為中高功率LED照明產品提供可靠、高效、靈活的驅動電源方案是設計人員常面臨的挑戰(zhàn)。安森美半導體積極推動高能效創(chuàng)新，充分利用在電源領域的豐富經(jīng)驗，提供應用于LED照明不同的領域。而針對中大功率LED照明應用的不同需求，安森美半導體提供功率因數(shù)校正(PFC）控制器、準諧振及固定頻率的反激控制器和開關穩(wěn)壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅動及LLC控制器、次級端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等，以滿足不同電路拓撲設計的不同需求。

單段式功率因數(shù)校正(PFC)方案

功率因數(shù)校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線、斷路開關、電力設施帶來的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式（常見兩段式）兩種結構。單段式（如圖1所示）可直接電流驅動，只需單個開關及磁性元件，缺點則是100/120Hz紋波，MOSFET應力更大，占空比更大，功率限制在100-150W。

圖1.單段式PFC結構示意圖

典型的單段式PFC LED驅動方案有如安森美半導體的NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供高功率因數(shù)設計。安森美半導體基于NCL30000構建的25 W高功率因數(shù)單段式LED驅動器參考設計接受90-305Vac寬輸入電壓范圍，能效高于87%，輸入電流總諧波失真(THD)小于15%，功率因數(shù)(PF)大于0.97，輸出功率25W(Vf=36Vdc)，LED電流700mA±4%，最大LED電壓44Vdc。安森美半導體還推出了單段式連續(xù)電流模式(CCM) PFC LED驅動器NCL30001，可以配置為恒流驅動器或固定輸出電壓驅動器，適合40W到150W LED照明設計。

兩段式PFC + DC-DC轉換方案

除了上述單段式方案，設計人員還可以根據(jù)應用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式（PFC段+DC-DC轉換段）方案（如圖2所示）。前段PFC的功能一方面實現(xiàn)輸入電流整形以減小輸入電流諧波，另一方面將輸入交流電壓轉換為穩(wěn)定的直流電壓（變化范圍一般為380V-400V），后段的DC-DC轉換器實現(xiàn)隔離和變換，將穩(wěn)定直流電壓變換為所需要的電壓，通常可以用反激、LLC或者降壓實現(xiàn)，其優(yōu)點是易于擴展功率和尺寸，易于提供次級端偏置電源，但相應會帶來成本上的提升。

圖2.兩段式PFC結構示意圖

具體而言，兩段式方案中的PFC段可選用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。

其中，NCP1605是增強型高壓、高能效待機模式功率因數(shù)控制器，工作在固定頻率非連續(xù)導電模式(DCM)和/或臨界導電模式(CrM)。NCP1605能夠作為PFC主控端工作，確保電源的第二段僅在安全條件下啟動。它集成跳周期功能，將待機損耗降到最低。

NCP1631則是安森美半導體推出的一款單芯片2相交錯式PFC控制器，可以替代2顆NCP1601，驅動2個PFC支路，提供接近1的高功率因數(shù)。

采用傳統(tǒng)的CrM/BCM控制時，負載減少時開關頻率上升，輕載時控制器可能進入“突發(fā)的調頻模式”，產生噪聲；采用電流控制頻率反走(CCFF）控制時，負載減小時開關頻率減小，降低噪聲，輕載時控制器頻率較低，可在高于可聽頻帶的頻率鉗位，極輕載時采用跳周期模式工作，可以關閉以提升更好的THD，谷底導通進一步提升能效，減小電磁干擾(EMI)（如圖3所示）。NCP1611/NCP1612基于創(chuàng)新的CCFF架構，在PFC電感電流超過設定值時，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低于預設值時，將開關頻率線性降低至約20 kHz，此時電流為零。NCP1615同樣基于CCFF架構，當電流在預設水平以下時，NCP1615芯片的控制頻率會線性衰減到26KHz。