用于LED照明的AC-DC電源方案介紹

　　LED通用照明設(shè)計工程師會遇到許多挑戰(zhàn)，如功率密度、功率因數(shù)校正（PFC）、空間受限和可靠性等。這些LED照明設(shè)計挑戰(zhàn)和電源設(shè)計挑戰(zhàn)類似，具體講，LED通用照明有以下幾個挑戰(zhàn)：由于總光效要求及散熱限制的影響，即使是低功率應(yīng)用能效也很重要；在許多情況下，較低功率也要求功率因數(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)用時，對驅(qū)動功率密度的要求很高；總體電源可靠性對提高整個燈的壽命非常重要；寬輸入電源電壓范圍應(yīng)該支持高達277 Vac；兼容TRIAC調(diào)光等傳統(tǒng)特定照明要求。另外，LED通用照明還要符合仍在演進的標準及安全規(guī)范，如美國“能源之星”和歐盟的國際電工委員會（IEC）要求。

　　安森美半導(dǎo)體一直致力于為LED照明提供豐富的解決方案，推出各種符合最新LED照明標準的產(chǎn)品，包括AC-DC電源IC，DC-DC驅(qū)動器，CCR穩(wěn)流器，恒流恒壓（CCCV）控制，高壓FET， 整流器，數(shù)字接口，環(huán)境光傳感器，保護，電力線通信（PLC）調(diào)制解調(diào)器等等。本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源方案及相關(guān)電路，幫助工程師應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，設(shè)計出滿足通用照明要求的產(chǎn)品。

　　安森美半導(dǎo)體LED照明方案

　　圖1顯示了安森美半導(dǎo)體所提供的完備LED照明方案。

　　圖1：安森美半導(dǎo)體LED照明方案應(yīng)用示意圖

　　在安森美半導(dǎo)體用于LED照明的AC-DC電源方案中，1至10 W的照明應(yīng)用中推薦使用NCP1010~5，1至15 W可使用NCP1027/8，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％；1至30 W的應(yīng)用可以使用LV5026、5027、5028，支持隔離方案，典型能效85％左右；1至40 W推薦使用NCL30000，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％。40至150 W推薦使用NCL30001，它是一個連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）控制芯片，隔離方案的典型能效85－90％；更大功率推薦使用NCL30051。圖2是這些方案輸出功率與能效的對比。以下將具體介紹這些方案的功能和特點。

　　圖2：LED照明的AC-DC電源方案輸出功率與效率的對比。

　　針對1至30 W功率AC-DC應(yīng)用的LV5026/27/28系列LED控制器

　　該系列是安森美半導(dǎo)體成員公司三洋半導(dǎo)體的LED控制器--LV5026M、LV5028TT和LV5027T，其中LV5026M具有TRIAC調(diào)光、PWM調(diào)光、模擬調(diào)光和功率因數(shù)校正功能；LV5028TT只有TRIAC調(diào)光和功率因數(shù)校正功能。LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路如圖3所示。

　　圖3：LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路。

　　以功能最多的LV5026M為例，它是兼容不同調(diào)光的高壓LED控制器，調(diào)光方式為TRIAC、模擬輸入或PWM輸入，可選擇開關(guān)頻率（50 kHz，開路70 kHz）。該方案是一個低噪聲開關(guān)系統(tǒng)，采用5段跳躍模式頻率，可階躍驅(qū)動開關(guān)；其參考電壓可以選擇（內(nèi)部0.605 V及外部輸入電壓），具有軟啟動功能和TRIAC穩(wěn)定功能。

　　旨在降低電磁干擾（EMI）的PWM控制架構(gòu)具有優(yōu)于競爭產(chǎn)品的特性。它采用2階躍驅(qū)動，可顯著減少噪聲；非恒定周期的5個級別頻率可有效消除EMI峰值。

　　低功率AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換有兩種方式，一種是非隔離降壓，要求機械式絕緣；其設(shè)計及電路配置簡單，電路板尺寸小，元件數(shù)量少，能效較高，物料單（BOM）成本也更低。另一種是隔離反激，采用電氣（磁）隔離，易于滿足安全要求，磁學(xué)設(shè)計較復(fù)雜，適合較高功率的設(shè)計，需要較大的電路板尺寸。

　　LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈，可實現(xiàn)以下產(chǎn)品特性：采用階躍門驅(qū)動方法，具有振蕩頻率回轉(zhuǎn)功能、高門能力驅(qū)動電路、可外部調(diào)節(jié)參考電壓、支持多種調(diào)光器（TRIAC調(diào)光、數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光）；此外還支持軟啟動、過流保護、熱關(guān)閉、過壓保護等。LV5027M/LV5028M是LV5026M的簡化版本，外部元件數(shù)量更少。

　　圖4：LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈。

　　針對要求高能效及空間受限應(yīng)用的低功率降壓方案NCL30100

　　NCL30100是一款高能效、峰值電流控制自適應(yīng)固定關(guān)閉時間降壓控制器，可用于空間及高能效至關(guān)重要的低功率及空間受限的應(yīng)用，如MR16 LED燈等。該方案具有振蕩頻率可調(diào)節(jié)特性，采用連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），可以省去輸出電容，能效更高，并提供自然的LED開路保護。使用NCL30100可利用負電流感測，用小型電感降低功率損耗，實現(xiàn)低成本、高能效（100 Vac Vo=36 V，能效》90%）及元件數(shù)量少的應(yīng)用。

　　圖5：單電壓輸入降壓方案NCL30100。

　　低功率離線降壓方案NCP1015

　　NCP1015單片開關(guān)電源IC能滿足交流85－265 Vac寬電壓輸入范圍，適合輸出功率在10 W以內(nèi)低功率離線降壓LED照明設(shè)計。這器件提供豐富特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設(shè)定及動態(tài)自供電（DSS）等，不僅提升能效，還增強可靠性。在C8和IC的第1腳間加一個電阻可以提高能效，適合小電流、高電壓輸出。

　　圖6：NCP1015降壓方案。

　　適合降壓及降壓-升壓兩種配置的中低功率AC-DC方案NCL30000

　　采用NCL30000的“平均電流穩(wěn)流”拓撲結(jié)構(gòu)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）。其電感與LED串串聯(lián)，僅在輸入電壓大于輸出壓降時有電流流動；功率因數(shù)（PF）及輸入電流總諧波失真（THDi%）性能取決于輸出壓降與輸入電壓之比（VF/Vin），比例越高，PF越低，比例越高，THDi越高。

　　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)；固有的LED故障保護功能在MOSFET短路時提供保護；LED正向壓降可以高于或低于輸入電壓；MOSFET開關(guān)電壓應(yīng)力為輸入電壓與輸出壓降之和（Vin+Vout）。

　　降壓拓撲結(jié)構(gòu)工作原理是，僅在輸入電壓超過LED正向壓降（VF）時有電流流過；利用臨界導(dǎo)電模式（CrM）及恒定導(dǎo)通時間工作提供高功率因數(shù)；可直接感測LED電流；低環(huán)路帶寬支持高功率因數(shù)工作；MOSFET電流等于LED峰值電流；MOSFET電壓應(yīng)力等于峰值線路電壓。

　　圖7是NCL30000高功率因數(shù)降壓方案應(yīng)用電路，需要線路可調(diào)光時，可根據(jù)線路及負載功率調(diào)節(jié)最大導(dǎo)通時間；兼容TRIAC或尾沿（晶體管）調(diào)光器；專用于一種線路電壓（120 Vac或230 Vac）時，可切相調(diào)光來優(yōu)化EMI濾波器設(shè)計，降低X電容值，將峰值電流減至最小?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" class=scaleImage height=347 alt=NCL30000高功率因數(shù)降壓方案應(yīng)用電路 src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20140213/223566_1_6.jpg" width=540 border=0>

　　圖7：NCL30000高功率因數(shù)降壓方案應(yīng)用電路。

　　以下介紹的是基于NCL30000的兩個AC-DC隔離電源方案實例。

　　1） 支持熱反走的AC可調(diào)光A19 LED燈：輸入電壓為90至135 Vac，5 W額定輸出功率（10 V @ 500 mA），可驅(qū)動3顆串聯(lián)LED；隔離式熱反走，溫度上升時線性減小輸出電流；功率因數(shù)》0.96，能效》77%；針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；兼容TRIAC及晶體管調(diào)光器。

　　圖8：熱反走AC可調(diào)光A19 LED燈。

　　2） AC可調(diào)光PAR30 LED燈：可用于輸入電壓115 V/230 V的燈，11 W額定輸出功率（24.5 V @ 450 mA），驅(qū)動串聯(lián)/3串并聯(lián)的8顆LED；隔離式；功率因數(shù)》0.96，能效》83%，針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；兼容TRIAC及晶體管調(diào)光器。

　　圖9：AC可調(diào)光PAR30 LED燈。

　　用于中大功率AC-DC LED照明應(yīng)用的NCL30001方案

　　NCL30001功率因數(shù)校正（PFC）可調(diào)光LED驅(qū)動器適用于中大功率應(yīng)用（功率可達90 W），如建筑物裝飾光。支持的調(diào)光有三種方式：1-10 V模擬電壓輸入（1 V = 最小值，10 V為100%導(dǎo)通時的值）；兩級雙電平模擬調(diào)光；以及PWM調(diào)光（調(diào)光頻率范圍350 Hz至3 kHz，調(diào)光范圍》 10:1）。保護特性包括：輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護、過壓保護和過溫反走。

　　圖10：NCL30001用于建筑物裝飾光。

　　用于大功率建筑物裝飾光應(yīng)用的NCL30051方案

　　NCL30051是一款專用LED電源集成電路（IC），能夠為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動器（如NCL30160）提供恒定電壓。這器件集成了一個臨界導(dǎo)電模式（CrM） PFC控制器及一個半橋諧振控制器，并內(nèi)置600 V驅(qū)動器，針對離線電源應(yīng)用進行了優(yōu)化，具備了所有實現(xiàn)高能效、小外形因數(shù)設(shè)計所需的特性。NCL30051能夠用于功率達100 W的建筑物裝飾光應(yīng)用，在修改元件條件下，最大可以支持250 W功率。NCL30051支持的調(diào)光方式包括1-10 V模擬電壓輸入（1 V = 最小值，10 V為100%導(dǎo)通時的值）、兩級雙電平模擬調(diào)光，以及PWM調(diào)光（頻率范圍100至300 Hz，調(diào)光范圍》10:1）。保護特性包括：輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護、過壓保護。

　　圖11：NCL30051用于大功率建筑物裝飾光。

　　此外，安森美半導(dǎo)體的GreenPoint?設(shè)計仿真工具讓設(shè)計人員僅用幾個步驟即可完成選擇產(chǎn)品、確定設(shè)計要求、自動產(chǎn)生設(shè)計（電路圖）、仿真及驗證、物料單（BOM）及報告、下載報告為PDF文件、保存文件及分享等一系列流程，從而實現(xiàn)快速、易用、高效的LED產(chǎn)品開發(fā)。

　　總結(jié)

　　安森美半導(dǎo)體利用在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)換器及非隔離拓撲結(jié)構(gòu)，配合廣泛的應(yīng)用范圍，為實現(xiàn)各種通用照明設(shè)備提供更多的選擇。