安森美半導體的LED電源解決方案

　　與傳統(tǒng)的光源相比，發(fā)光二極管（LED）具備眾多的優(yōu)點，如工作電壓低，能效高，很小巧并產(chǎn)生定向光。它們能夠提供極寬廣的色彩以及白光，不產(chǎn)生紅外（IR）或紫外（UV）輻射，而且由于它們是固態(tài)器件，在機械上很強固，并且不含汞，在恰當設計和使用時能夠具有超過5萬小時的工作壽命，遠長于標準白熾燈的1千小時壽命。此外，它們還完全可調(diào)光。這些優(yōu)點使得LED的應用越來越廣泛，如今已擁有眾多的應用市場，如建筑景觀照明、交通信號燈、顯示屏、零售、中小尺寸液晶顯示屏（LCD）背光、汽車和太陽能等，并在街道照明、住宅照明乃至中大尺寸LCD背光方面擁有越來越大的發(fā)展空間。

　　高亮度LED對于照明設計、全球能源節(jié)省和創(chuàng)新產(chǎn)品具有重大意義，對催生固態(tài)照明革命至關重要。這種革命需要一種整體性的途徑，在這其中，LED與電源轉(zhuǎn)換和控制電子器件以及熱管理解決方案和光學器件集成在一起。

　　LED照明應用的電源解決方案

　　如上所述，LED本質(zhì)上是低電壓器件；根據(jù)色彩和電流的不同，LED的正向電壓介于不足2 V至4.5 V之間。此外，LED需要采用恒定電流來驅(qū)動，從而確保獲得所需的發(fā)光亮度和色彩。這就需要相應的電源轉(zhuǎn)換和控制解決方案能夠適應不同的電源，無論是交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池。

　　作為一家全球領先的高能效電源半導體供應商，安森美半導體專注于運用自身的低電壓和高電壓技術以及在電源管理解決方案方面的專長來應對LED照明所面臨的挑戰(zhàn)：無論是便攜顯示產(chǎn)品、汽車內(nèi)部照明或LED信號燈的鎮(zhèn)流器。在下文中，我們將結合LED照明的多種不同應用，如建筑、工業(yè)、汽車和便攜應用等，討論安森美半導體相應的驅(qū)動電源解決方案。

　　1）可集成最高700 V高壓FET的離線型AC-DC開關電源解決方案

　　圖1（a）：輸入功率小于10 W的LED照明解決方案功能框圖

　　安森美半導體在將電源從交流主電源轉(zhuǎn)換為功率等級在幾瓦至幾百瓦范圍之間、適合多種不同應用的可用能源方面擁有豐富的經(jīng)驗。安森美半導體開發(fā)出了結合高壓開關晶體管和中等電壓模擬電路的極高壓集成電路（VHVIC），針對寬廣的功率需求提供集成了高性價比解決方案。安森美半導體提供多種固定頻率控制器和轉(zhuǎn)換器，將電壓高至700 V的高壓場效應管（FET）集成至簡單、經(jīng)濟、元件數(shù)量少的解決方案之中。

　　這類解決方案包括三個方面：單片交流-直流（AC-DC）恒流驅(qū)動器，功率范圍在5至15 W之間，如NCP1013、NCP1014和NCP1028等。NCP系列離線控制器，同時包含隔離型和非隔離型，功率高達150 W。安森美半導體提供用于街道照明、具有單段式功率因數(shù)校正器（PFC）的參考設計。

　　圖1（b）：輸入功率介于10至25 W的LED照明解決方案功能框圖

　　PFC解決方案

　　對于功率低于25 W（230 Vac）的較低功率應用而言，最常用的是集成電源開關穩(wěn)壓器，因為它可以將元件數(shù)量減至最少。高于這個功率范圍，則可以使用控制器，因為控制器為設計人員在選擇這種應用最適合的高壓FET方面提供靈活性?？刂破骷瓤捎糜诟綦x應用，也可用于非隔離應用，而安森美半導體提供多種不同的增值特性，允許設計人員針對其具體設計要求優(yōu)化設計。

　　圖2：NCP1351離線式LED驅(qū)動器參考設計。

　　圖2顯示的是安森美半導體NCP1351離線式LED驅(qū)動器參考設計。這參考設計的輸入功率范圍介于85至265 Vac之間，具有尺寸小、成本低、良好線路穩(wěn)壓等特性，在20 W負載具有80%的高能效，并集成了過載保護和短路保護等安全特性，最大尺寸僅為125×37×35 mm。

　　圖3（a）：傳統(tǒng)的2段式PFC架構。

　　IEC1000-3-2標準設定了限制注入至交流線路中諧波的規(guī)范。就照明應用而言，如果輸入功率大于25 W（C類），這個規(guī)范就會適用。此外，即使在某些地區(qū)并不要求遵從這項IEC規(guī)范，也可能對最低功率因數(shù)提出要求。這樣一來，這些應用中就需要前端PFC控制器。增加這樣一個段會導致符合能效和空間等其它系統(tǒng)要求方面的困難，除非作出明智的選擇。

　　圖3（b）：改進的單段式PFC架構。

　　幸運的是，安森美半導體深刻理解這些挑戰(zhàn)，擁有創(chuàng)新的PFC控制器產(chǎn)品陣容，符合設計人員對簡單、緊湊和強固解決方案的期望。安森美半導體不僅支持傳統(tǒng)的2段式應用，也推出了數(shù)款進一步簡化設計的獨特解決方案，如NCP1651單段式反激控制器。

　　NCP1651在單芯片解決方案中集成了功率因數(shù)校正和轉(zhuǎn)換器，帶有外部FET，允許根據(jù)所需功率實現(xiàn)可擴展的解決方案。NCP1651具有隔離型降壓功能，支持連續(xù)或不連續(xù)模式操作，并支持平均電流模式控制（ACMC）和固定頻率控制，其高精度乘法器可用于降低總體諧波失真（THD）。它還具有過溫關閉和外部關閉等功能。這款單段式PFC控制器適合于電子鎮(zhèn)流器、街燈、交通信號燈和照明等應用。

　　對于輸入功率介于25 W和60 W之間的LED照明應用而言，可以采用NCP1351這樣的PWM控制器；對于輸入功率在60 W至150 W范圍而言，PWM控制器可以采用NCP1271；輸入功率在150 W至300 W范圍的，可以采用NCP1396這樣的PWM控制器。而對于25 W至300 W的輸入功率范圍而言，都可以采用臨界導電模式（CRM）的PFC控制器NCP1606。

　　2）寬輸入范圍的中等電壓LED應用DC-DC電源解決方案

　　除了便攜供電應用，還有一系列高亮度LED應用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應用眾多，如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。

　　表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應用

　　即使目標是采用恒定電流驅(qū)動LED，首先要理解的事件就是應用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結溫度范圍、驅(qū)動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當?shù)木€性或開關電源拓撲結構，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。

　　對于輸入電壓小于40 V的LED應用而言，如果輸出電壓小于輸入電壓，則選擇降壓拓撲結構。在此基礎上，再根據(jù)輸出電流來進行選擇。若輸出電流大于1.2 A，則可采用設計用于為高亮度LED供電的1.5 A恒流開關穩(wěn)壓器NCP3065。這器件擁有額定值235 mV的極低反饋電壓，適合對LED串的平均電流進行穩(wěn)流。它擁有高至40 V的較寬輸入電壓范圍，使其能夠工作在12 Vac或12 Vdc電源。NCP3065還提供適合汽車級應用的版本—NCV3065。只需采用極少的外部元件（如MOSFET或低VCEsat開關），NCP3065開關穩(wěn)壓器即可配置為降壓、升壓或SEPIC等拓撲結構。這使得它還能用于電流小于1.2 A的應用。對于電流小于1.2 A的應用，還可采用NCP1215+MOSFET來構成降壓轉(zhuǎn)換器。對于電流小于500 mA以及輸入電壓接近輸出電壓的應用而言，可以采用NUD4001這樣的恒流線性驅(qū)動器。

　　如果輸出電壓大于輸入電壓，則選擇升壓拓撲結構。在此基礎上，如果是低壓電池供電應用，則可以選用NCP5005、NCP5604、NCP5608和NCP5050這樣的低壓LED驅(qū)動器；如果不是低壓電池供電應用，再看其輸出電壓值，如果大于40 V，同樣可以采用NCP3065開關穩(wěn)壓器，這時候NCP3065結合外部NMOS MOSFET配置為升壓控制器結構；否則，還要看開關電流來確定。如果開關電流大于1.3 A，則采用結合MOSFET或低VCEsat開關、配置為升壓控制器的NCP3065；如果小于1.3 A，采用配置為升壓轉(zhuǎn)換器的NCP3065。

　　除了單純的降壓或升壓拓撲結構，在某些環(huán)境下，也需要降壓-升壓拓撲結構，如從標準電源輸入端驅(qū)動LED串；此外，在輸入電壓和LED負載電壓交疊的場合中使用這種拓