安森美全套LED電源設計關(guān)鍵解決方案[圖析]

　　LED照明應用的電源解決方案

　　LED便攜背光應用電源解決方案

　　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(guān)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(lǐng)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(shù)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(jié)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(guān)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(jié)合高壓開關(guān)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700V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(guān)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(gòu)。

　　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(gòu)。

　　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(guān)閉和外部關(guān)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60W至150W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40VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12和24VAC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(jié)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(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。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(guān)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(guān)），NCP3065開關(guān)穩(wěn)壓器即可配置為降壓、升壓或SEPIC等拓撲結(jié)構(gòu)。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(gòu)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(jié)構(gòu)。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(guān)穩(wěn)壓器，這時候NCP3065結(jié)合外部NMOS MOSFET配置為升壓控制器結(jié)構(gòu)；否則，還要看開關(guān)電流來確定。如果開關(guān)電流大于1.3 A，則采用結(jié)合MOSFET或低VCEsat開關(guān)、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(jié)構(gòu)，在某些環(huán)境下，也需要降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，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撲結(jié)構(gòu)也很常見。而NCP3065也能夠配置為降壓-升壓控制器。這種架構(gòu)需要2個電源開關(guān)。雖然NCP3065本身也包含1個電源開關(guān)，但我們可以使用1個低VCEsat PNP/NPN對管來獲得更高轉(zhuǎn)換效率。這是一種可擴展的方案，整流器和電源開關(guān)都能夠根據(jù)具體的輸入和輸出電壓以及電流電平來調(diào)整。值得一提的是，諸如NSS40500UW3這樣的低VCEsat晶體管采用小巧的2×2 mm封裝，提供極佳的性能。

　　圖4所示的是功率最高達12 W的NCP3065降壓-升壓電路。這電路設計用于電流高達0.7 A的應用，輸入電壓范圍可達8至26 Vdc。輸出電壓Vout為16 Vdc @ 700 mA和輸入電壓Vin為13-26 Vdc時，能效可達72%至80%。

　　圖4：功率高達12 W的NCP3065降壓-升壓電路

　LED便攜背光應用電源解決方案

　　白光LED和RGB三色LED廣泛應用于小尺寸LCD面板和鍵盤的背光以及指示燈應用。在手機和數(shù)碼相機應用中，高亮度LED還可用作閃光燈電源。這些應用需要優(yōu)化的解決方案，不僅要能夠最大限度延長電池使用時間，同時還要最大程度減小PCB占用面積和高度。

　　在這類LED背光應用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器，各有其優(yōu)勢。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單、設計簡單、成本低、噪聲低、尺寸小、靜態(tài)電流低。而開關(guān)穩(wěn)壓器的能效較高，可達70~85%。安森美半導體根據(jù)用戶的應用需求，提供多種類型的解決方案。在開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案方面，就同時提供電感型和電荷泵型這兩種類型。具體而言，電感升壓驅(qū)動器NCP5005 ， NCP5050具有高能效和高輸出電壓的優(yōu)勢，其能效高達90%以上，而且大多能夠驅(qū)動多達5個串聯(lián)LED（輸出電壓達21 V）。此外，由于LED采用串聯(lián)連接，這種類型的器件也具有理想的照明/電流匹配特性。由于無需電感，電荷泵型驅(qū)動器NCP5602， NCP5612， NCP5623有助于造就小型緊湊的解決方案，而這對應用中小尺寸LCD的便攜產(chǎn)品而言顯得猶為重要。這種類型的驅(qū)動器配備低成本的電容和電阻，能夠造就成本更低的解決方案。這種驅(qū)動器可以驅(qū)動1至3個LED，適合于小型器件的背光應用。

　　除了LCD，有機發(fā)光二極管（OLED）這種新興顯示技術(shù)近年來也開始應用在便攜設備乃至中大尺寸平板電視之中。市場上最初出現(xiàn)的是無源矩陣OLED（PMOLED），由于其驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)的原因，其顯示尺寸局限在1.8英寸及以下，常用于MP3播放器和手機副屏之中。更新的有源矩陣OLED（AMOLED）技術(shù)則沒有顯示尺寸方面的限制，它比LCD具有多項重要優(yōu)勢，如寬廣的視角、高對比度、極快的響應時間和纖薄的厚度，這得益于它消除了背光的需要。AMOLED面板被用于手機的主顯示屏及MP3播放器等。

　　安森美半導體在市場上率先推出了專用的有源矩陣（AMOLED）面板穩(wěn)壓電源IC—NCP5810D。NCP5810D雙輸出直流-直流轉(zhuǎn)換器在1.75MHz振蕩器頻率下整個電源能效高達83%。它具有極佳的線路瞬態(tài)抑制能力，在25mA電流時線路瞬態(tài)電壓為5mV。為了適應AMOLED顯示屏纖薄的外形，該轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換至1.75MHz的高頻，可使用體積較小的電感器和陶瓷輸出電容器。其0.55mm厚的超薄封裝，使NCP5810D適用于最薄的便攜式產(chǎn)品設計中。此外，它在關(guān)機模式下的斷電功能，將泄漏顯示電流限制在1微安，節(jié)約了關(guān)機狀態(tài)下的電池電源。NCP5810D還具有逐周期峰值電流限制和熱關(guān)機保護功能。 NCP5810D采用超薄的3.0mm×3.0mm×0.55mm LLGA-12封裝。

　　圖5：安森美半導體AMOLED穩(wěn)壓電源IC NCP5810D的功能框圖。

　除了LCD背光和AMOLED電源應用，安森美半導體還推出面向相機閃光應用的LED驅(qū)動IC，如NCP5680等。以NCP5680為例，這是一款帶超級電容（supercap）的雙LED閃光驅(qū)動器，能夠以2.5 A或更高電流驅(qū)動2個高亮度LED。它采用I2C控制，具有內(nèi)置閃光序列。它的感光功能在明亮環(huán)境下可以限制閃光時間，從而節(jié)省電能。這器件使用超級電容來支持音頻等其它大峰值電流的電路，還具有短路保護等保護功能。這器件于2008年7月開始量產(chǎn)。

　　圖6：安森美半導體的超級電容LED驅(qū)動器NCP5680的應用示意圖。

　　總結(jié)

　　憑借著工作電壓低、能效高、色彩豐富、產(chǎn)生定向光、無汞等眾多優(yōu)勢，LED技術(shù)在建筑、交通、汽車、太陽能、LCD背光、汽車和住宅照明等領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應用。作為全球領(lǐng)先的高能效電源解決方案供應商，安森美半導體提供豐富的LED驅(qū)動電源解決方案產(chǎn)品系列，滿足從高壓離線型AC-DC開關(guān)電源到寬輸入范圍的中等電壓LED電源以及便攜產(chǎn)品背光和閃光驅(qū)動應用的廣泛需求，并提供一些相關(guān)的參考設計，幫助客戶縮短開發(fā)時間，加快產(chǎn)品上市進程。