基于交流或直流電源的LED驅動電路設計實例
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根據具體應用的不同，led可能會采用不同的電源來供電，如交流線路、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等。
1)采用交流離線電源為LED供電
在采用交流離線電源為LED供電的應用中，涉及到眾多不同的應用場合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標志等。在這些從交流主電源驅動大功率LED的應用中，有兩種常見的電源轉換技術，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時使用反激轉換器，或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓撲結構。
在反激轉換器方面，根據輸出功率的不同，可以采用安森美半導體的不同反激轉換器。例如，安森美半導體的NCP1013適合于功率高達5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設計應用，NCP1014/1028可以提供高達8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應用。
以NCP1014/1028為例，這是安森美半導體推出的離線式PWM開關穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設計及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關閉保護等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業(yè)燈等應用。NCP1014/1028的應用設計示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是，這設計具有開路輸出保護功能，會在開路時將輸出鉗位至24 V電壓。在這設計中，電流和開路電壓能夠通過簡單地改變電阻/齊納二極管組合來調整。值得一提的是，如果針對230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達19 W的功率，NCP1028能夠提供高達25 W的功率。
圖1：安森美半導體離線式第二代LED驅動器NCP1014/1028的應用示意圖。
在照明應用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅動器則面臨著功率因數校正(PFC)的問題。例如，歐盟的國際電工委員會(IEC)針對照明(功率大于25 W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國，能源部“能源之星”項目固態(tài)照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級)，即針對住宅應用部分要求功率因數高于0.7，而針對商業(yè)應用部分要求功率因數高于0.9。這標準屬于自愿遵守的標準，并非強制性要求，但有些應用可能需要良好的功率因數。例如，公營事業(yè)機構將推動LED的大規(guī)模應用，應用在公用設施級別的LED可望擁有較高功率因數；而且公營事業(yè)機構擁有或提供LED街燈服務時，LED是否具有較高功率因數(通常大于0.95)取決于公營事業(yè)機構的意愿，如果他們愿意，則相應的LED驅動解決方案必須滿足這方面的要求。
圖2：需要PFC的LED驅動應用中不同架構對比。
在這類可能需要采用PFC控制器的應用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認證簡單，但在總體能效方面會有折衷，如假設交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術的持續(xù)改進，這種架構預計將轉化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。
另一方面，如上所述，在不需要隔離的應用中，可以采用較為簡單的降壓拓撲結構，這種結構所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來實現這種解決方案。這種架構采用的是峰值電流控制(PCC)模式，工作在深度連續(xù)導電模式(CCM)。這種架構具有多種優(yōu)勢，如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩(wěn)流的簡單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導體的動態(tài)自供電(DSS)技術能力來直接從交流線路為驅動器供電。圖3顯示的是安森美半導體NCP1216 PWM電流模式控制器的應用設計示意圖。
圖3：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅動應用。
它充分利用高壓工藝技術的優(yōu)勢，從交流主電源直接為控制器供電，進一步簡化了電路。這設計適合120 Vac條件，若要用于230 Vac條件，則需要變更少許元件，如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設計，所以存在高壓。而且這是一項浮動設計，IC和LED并非對地參考。在對器件進行供電之前，LED必須連接至電路板。
對于這類降壓控制方式而言，當控制的LED數量減少時，它的一項局限就會出現，因為這時占空比會變得極窄。而且開關控制器在電流被感測到之前會有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開關頻率來適應正常操作，并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構能夠通過元件修改來輕易擴展，從而也能驅動更長的LED串。
2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電
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、驅動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當的線性或開關電源拓撲結構，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開關，可以設置成降壓、升壓、反轉(降壓-升壓)/單端初級電感轉換器(SEPIC)等多種拓撲結構。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數字PWM調光能力、發(fā)生磁滯時內部熱關閉等。
圖4：安森美半導體NCP3065在LED恒流降壓控制應用中的示意圖。
為LED提供保護
如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源(可長達5萬小時)。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動解決方案，還需要為LED提供適當的保護，因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣，可能是因為LED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態(tài)現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施，特別是因為某些應用屬于關鍵應用(故障停機成本高)，或是安全攸關的應用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等)，或是在地理上難于接近的應用(維護困難)等。
在這方面，可以采用安森美半導體的NUD4700 LED分流保護解決方案。圖5是這種分流保護解決方案的應用及原理示意圖。
圖5：安森美半導體NUD4700 LED開路分流保護器的應用示意圖。
在LED正常工作時，泄漏電流僅為近100 μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時，LED就會開路，這時NUD4700分流保護器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當，也支持大于1 A電流的操作。
總結
相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優(yōu)勢，越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉換、LED控制和驅動、散熱和光學等。
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