對(duì)應(yīng)不同功率的各種LED驅(qū)動(dòng)電源方案

　　近年來(lái)，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)市場(chǎng)快速發(fā)展。LED光效不斷增高，平均每流明光輸出的成本也持續(xù)下降，使其應(yīng)用范圍不斷拓寬，除了已經(jīng)在屏幕尺寸小于4英寸的便攜設(shè)備背光及體育場(chǎng)館大型顯示屏等應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，更向汽車(chē)、中大尺寸液晶顯示器(LCD)背光及通用照明等市場(chǎng)滲透，發(fā)展前景非常可觀。

　　以電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車(chē)燈、工作照明燈(臺(tái)燈、櫥柜內(nèi)照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等通用照明市場(chǎng)為例，據(jù)估計(jì)，當(dāng)前LED照明(或稱固態(tài)照明，英文簡(jiǎn)稱SSL)的應(yīng)用比例低于1%，2008年LED驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)分立器件的市場(chǎng)規(guī)模(SAM)僅為約6.88億美元，預(yù)計(jì)到2012年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至13.08億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)17.4%。因此，LED通用照明成為熱點(diǎn)市場(chǎng)。

　　本文旨在探討LED通用照明市場(chǎng)不同功率范圍及不同電源供電應(yīng)用的要求，以及適用的LED驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)元器件，幫助照明設(shè)計(jì)工程師盡擇適合的元器件方案，加快上市進(jìn)程。

　　不同功率AC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應(yīng)用所適合的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同。如在功率低于80 W的應(yīng)用中，反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)選擇；而在講究高能效的應(yīng)用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導(dǎo)體提供覆蓋寬廣功率范圍的AC-DC LED照明方案，表1列舉了幾種典型的安森美半導(dǎo)體AC-DC LED照明方案。

　　表1：安森美半導(dǎo)體典型AC-DC LED通用照明解決方案。

　　從應(yīng)用的功率等級(jí)來(lái)看，AC-DC供電的LED通用照明應(yīng)用包括低功率、中等功率和大功率等不同類(lèi)型。低功率應(yīng)用的功率范圍通常在1到12 W之間，中等功率涵蓋8到40 W范圍，大功率應(yīng)用的功率常高于40 W。

　　1)1 W至8 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案

　　在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面，典型應(yīng)用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類(lèi)應(yīng)用的輸入電壓范圍在交流90至264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA兩種，能效要求為80%，并要求提供短路保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)特性。

　　在這類(lèi)應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1015自供電單片開(kāi)關(guān)控制IC。這器件集成了固定頻率(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V的高壓MOSFET，提供構(gòu)建強(qiáng)固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)及動(dòng)態(tài)自供電功能(無(wú)需輔助繞組)等。

　　值得一提的是，NCP1015在1 W到8 W LED照明應(yīng)用中，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，滿足客戶的不同應(yīng)用需求。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，方案中包含簡(jiǎn)單的反饋電路和用于負(fù)載開(kāi)路及故障保護(hù)的鉗位電路，安全性高，更適合于需求通過(guò)安規(guī)認(rèn)證的應(yīng)用。非隔離型方案采用抽頭電感來(lái)隔離交流信號(hào)，能提高M(jìn)OSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能。

　　圖1：基于安森美半導(dǎo)體NCP1015的1至8 W隔離型(a)及非隔離型(b) LED照明方案。

　　上述基于NCP1015的隔離型及非隔離型方案均不含PFC，但安森美半導(dǎo)體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，為客戶提供更多選擇。

　　2)8 W至25 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案：無(wú)PFC與有PFC

　　在8 W-25 W AC-DC LED照明應(yīng)用中，我們要考慮兩種情況。一種是應(yīng)用不要求功率因數(shù)校正(PFC)。另一方面，美國(guó)能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9。但這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)，即可選擇不遵從或遵從。因此，要考慮的另一種情況是要求PFC。

　　不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應(yīng)用如PAR30、PAR38和嵌燈。在這類(lèi)應(yīng)用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入)，能效要求大于80%，提供短路保護(hù)及開(kāi)路保護(hù)等保護(hù)特性，恒流輸出電流為350 mA、700 mA及1 A等不同電流。相應(yīng)地，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351，見(jiàn)圖2。

　　圖2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(無(wú)PFC)

　　其中，NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開(kāi)關(guān)控制IC，提供800 mA峰值電流，還提供過(guò)功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性，適用于在通用寬電源輸入的應(yīng)用中提供幾瓦至15 W的輸出功率。除了基于NCP1028的無(wú)PFC方案，安森美半導(dǎo)體現(xiàn)也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導(dǎo)通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間脈寬調(diào)制(PWM)控制器，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線反激開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動(dòng)、負(fù)電流感測(cè)及擴(kuò)展的電源電壓范圍等特性。

　　在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型應(yīng)用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。這類(lèi)應(yīng)用的輸入電壓規(guī)格為90至264 Vac，能效要求80%，支持350 mA、700 mA及1 A恒流輸出，提供短路及過(guò)壓保護(hù)，功率因數(shù)要求高于0.9。這類(lèi)應(yīng)用適合采用安森美半導(dǎo)體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專(zhuān)用PFC升壓段，減少元器件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數(shù)，滿足IEC C類(lèi)諧波含量要求。這器件能夠直接驅(qū)動(dòng)LED，帶精確恒流輸出控制，在5至15 W的較低輸出功率時(shí)能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現(xiàn)有調(diào)光方案。

　　圖3：基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)

　　3)50 W至200 W LED通用照明應(yīng)用要求及方案

　　功率高于50 W的AC-DC LED應(yīng)用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明，可以采用不同的LED方案，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范圍。假定其輸入電壓規(guī)格為90--264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過(guò)壓保護(hù)，及350 mA、700 mA和1 A的恒流輸出。此類(lèi)應(yīng)用可以采用下述不同方案，適應(yīng)不同需求：

NCL30001：?jiǎn)味问絇FC LED驅(qū)動(dòng)器；
NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM；
NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。

　　圖4：基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案。

　　以NCL30001為例，這是一款電流連續(xù)模式(CCM)控制器，用于40 W到150 W功率范圍的單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。這器件支持20到250 kHz的可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，支持頻率抖動(dòng)和電壓前饋，包含輸入欠壓和過(guò)載定時(shí)器，提供高能效和高功率因數(shù)及強(qiáng)固的保護(hù)特性，圖4是NCL30001的典型應(yīng)用電路圖。

　　值得一提的是，近年來(lái)，業(yè)界對(duì)超高能效的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)興趣日濃，期望在相對(duì)較低的功率電平(50 W)提供高于90%的能效，這個(gè)能效目標(biāo)甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過(guò)49 W時(shí)能效高于87%)更高。要達(dá)到這樣高的能效，需要采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如從反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢(shì)。有利的是，安森美半導(dǎo)體早已著手開(kāi)發(fā)能用于LED驅(qū)動(dòng)電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級(jí)版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397內(nèi)置高端和低端驅(qū)動(dòng)器，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護(hù)特性。

　　不同功率DC-DC供電LED通用照明應(yīng)用要求及方案
對(duì)于直流-直流(DC-DC)供電的LED照明應(yīng)用而言，同樣可以根據(jù)不同功率范圍來(lái)展開(kāi)討論。

　　4)1 W-3 W DC-DC LED降壓應(yīng)用

　　典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應(yīng)用包括MR11/MR16、汽車(chē)照明、太陽(yáng)能供電等。這類(lèi)應(yīng)用的輸入電壓為5到28 Vdc，支持350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達(dá)500 kHz至2 MHz，能效不低于90%，工作溫度范圍為-40℃至125℃。在這類(lèi)應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器。這器件擁有專(zhuān)利的開(kāi)關(guān)控制架構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時(shí))，能效高達(dá)94%，并提供LED開(kāi)路保護(hù)、限流和過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)特性。 圖5：CAT420