AC-DC電源轉換拓撲結構比較

對于低功率AC-DC LED電源轉換而言，可以選擇隔離型反激或非隔離降壓等不同拓撲結構。所謂“隔離”,是指輸入與輸出之間采用變壓器等進行電氣隔離。這兩種拓撲結構各有其特點。相比較而言，非隔離拓撲結構設計及電路板配置簡單、電路板尺寸小、元件數(shù)量少、能效更高，而隔離拓撲結構易于滿足安規(guī)要求，但磁學設計復雜，要求較大的電路板尺寸。本文將聚集于隔離型拓撲結構的AC-DC LED驅動器方案。

LED驅動器應用要求

對于LED通用照明應用而言，目前成本還相對較高，故高性比的LED驅動器無疑會更受青睞。此外，LED驅動器也應該具有高能效(低損耗)、高可靠性、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量或功率因數(shù)(PF)等標準、靈活、適應寬環(huán)境條件、可改造用于已有應用、支持傳統(tǒng)控制方式工作(兼容傳統(tǒng)調光)等。

其中，就功率因數(shù)要求而言，美國“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)，適用于特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈等。該標準針對住宅應用部分要求功率因數(shù)高于0.7,針對商業(yè)應用部分要求功率因數(shù)高于0.9,而整體式LED燈泡的要求是輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)大于0.7.當然，并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數(shù)，但某些應用可能有這方面的要求。例如，公用事業(yè)機構可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產品在公用設施中的商業(yè)應用。

圖1:傳統(tǒng)兩段式架構與改進的單段式架構對比

提供高功率因數(shù)的NCL30000隔離型LED驅動器方案

要提供高功率因數(shù)，同時符合其它應用要求，就有必要使用高功率因數(shù)的電路架構。這樣一來，傳統(tǒng)的兩段式架構(PFC升壓+脈寬調制(PWM)反激轉換)就無法滿足要求了。有利的是，諸如安森美半導體NCL30000功率因數(shù)校正可調光LED驅動器采用單段式架構(見圖1)，可以提供達0.9甚至更高的功率因數(shù)。這器件采用緊湊的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供大于0.95的高功率因數(shù)，省下專門的DC-DC轉換電源段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本。

NCL30000采用的恒定導通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應用，因為控制塬理簡單，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效。NCL30000工作溫度范圍為-40至+125℃，確保能用于大多數(shù)LED通用照明應用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安(?A)的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設計。這器件也集成前沿消隱(LEB)電路，防止故障觸發(fā)，還集成強固的故障處理能力。

圖2:基于NCL30000的隔離型反激LED驅動器GreenPoint參考設計簡化框圖

配合TRIAC調光

除了要提供相關規(guī)范標準所要求的高能效及高功率因數(shù)，考慮特定的終端應用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調控方法是叁端雙向可控硅開關器件(TRIAC)調光。但TRIAC調光器塬本針對電阻型負載的白熾燈(白熾燈在電路中的作用就象是電阻)。因此，LED驅動器兼容TRIAC調光器也很重要，這樣有利于用戶沿用已有壁式TRIAC調光器，節(jié)省支出。

圖3:NCL30000調光性能演示(通過改變調光器位置來在350 mA至1.7 mA之間調光)

有利的是，NCL30000兼容尾沿晶體管調光器及前沿TRIAC調光器，能夠提供高于0.95的高功率因數(shù)，使輸入電流波形看上去像是電阻型負載的波形，而這對兼容TRIAC調光器非常重要，因為用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設計的NCL30000單段式CrM反激LED驅動器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相(參見圖3)。

演示板能效測試結果

安森美半導體基于NCL30000開發(fā)了目標功率低于18 W、支持4至15顆LED @ 350 mA且支持TRIAC調光(針對12顆LED進行預配置)的參考設計演示電路板。輸入電壓范圍為90至305 Vac的NCL30000演示電路板的能效測試結果顯示，寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)達到或超過0.95(見左圖)，且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩(wěn)流效果和高能效(右圖)。[!--empirenews.page--]

圖4:演示板測量能效結果(左圖：輸入電流THD及功率因數(shù);右圖：負載穩(wěn)流及能效)

應用示例

對于LED照明應用而言，燈泡替代是重要的應用領域，如拋物形滲鋁反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型燈替代(如A19)等。但燈泡替代應用存在獨特挑戰(zhàn)，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調光技術等。安森美半導體相應開發(fā)了一些燈泡替代參考設計，介紹如何使用安森美半導體的驅動器方案來應對這些挑戰(zhàn)。

圖5:基于NCL30000的11 W LED PAR30燈泡改造示例

以PAR30燈泡替代應用為例，安森美半導體的應用注釋《11W+TRIAC可調光PAR30+LED燈泡驅動器。pdf》(AND8463/D)介紹了如何使用NCL30000單段式功率因數(shù)校正隔離型反激控制器來設計LED PAR30燈的完整電源轉換方案，用于驅動串聯(lián)-并聯(lián)配置的3串共24顆LED(每串8顆LED,每串電流150 mA,3串共450 mA)。這參考設計使用市場上購得的LED散熱片和E27 Edison底座，有效處理散熱及尺寸受限問題。此設計的目標輸出功率為11 W,包含115 Vac版本(功率因數(shù)高于0.9,輸入電流THD《20%)和230 Vac(遵從IEC61000-3-2規(guī)范)兩種版本，LED電流穩(wěn)流精度達±5%,LED電壓范圍21至27 Vdc,能效高于82%,兼容TRIAC及電子低壓調光器調光，且遵從FCC B類導電型EMI標準。

PAR30燈泡是特定指向照明的一個示例?，F(xiàn)實中也存在許多全向照明應用，如A型燈。LED A型燈以標準A型燈尺寸來替代傳統(tǒng)A型白熾燈，是商業(yè)及住宅照明應用的極佳節(jié)能替代解決方案，不僅更環(huán)保，而且更易于維護和替代。傳統(tǒng)白熾燈存在不同功率等級，如40 W(光輸出約450 lm)或60 W(光輸出約600至800 lm)。如今一流的暖白光LED的光效處在100 lm/W范圍內?？紤]到熱效應及光電轉換效率，要提供450 lm光輸出，大約需要5至7顆LED.安森美半導體目前正在開發(fā)應用于LED A型燈的NCL30000 TRIAC可調光方案。

有利的是，安森美半導體已經基于臨界導電模式功率因數(shù)校正控制器NCP1607開發(fā)出了A19燈泡LED驅動器參考設計(見圖6)。這參考設計的輸入電壓范圍為90至265 Vac,額定輸出功率約為6.4 W(16.5 @ 400 mA)，采用隔離型單段式設計，在輸入電壓范圍內功率因數(shù)高于0.9,能效高于80%,符合IEC61000-3-2 C類諧波含量標準(輸入THD《15%)，遵從FCC B類導電型輻射標準，設計時就顧及到了符合UL8750安規(guī)，并符合“能源之星”針對整體式LED燈泡的1.1版規(guī)范要求。

圖6:基于NCP1607的高功率因數(shù)A19燈泡E26/E27驅動器方案

總結

本文圍繞低功率AC-DC LED通用照明應用，著重分析了隔離型LED驅動器的應用設計要求，介紹了安森美半導體相應的單段式隔離型高功率因數(shù)LED驅動器方案NCL30000,并分析了NCL30000如何配合相關要求，如支持TRIAC調光、提供高能效、恰當散熱及符合相關能效規(guī)范標準，并分享了安森美半導體已開發(fā)或正在開發(fā)的PAR30及A型LED燈泡替代參考設計，幫助設計工程師縮短設計周期，加快產品上市。