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选择适合的LED驱动电源方案为不同功率LED通用照明应用
作者: srpower   发布时间: -06-14 11:09:31   浏览 : 8
　　近年来, 高亮度发光二极管(HB-LED)市场快速发展。LED光效不断增高, 平均每流明光输出的成本也持续下降, 使其应用范围不断拓宽, 除了已经在屏幕尺寸小于4英寸的便携设备背光及体育场馆大型显示屏等应用中占据主导地位, 更向汽车、 中大尺寸液晶显示器(LCD)背光及通用照明等市场渗透, 发展前景非常可观。

　　以电灯泡和荧光灯管替代、 嵌灯、 街灯及停车灯、 工作照明灯(台灯、 橱柜内照明)、 景观照明、 广告牌文字电路、 建筑物照明等通用照明市场为例, 据估计, 当前LED照明(或称固态照明, 英文简称SSL)的应用比例低于1%, LED驱动器及相关分立器件的市场规模(SAM)仅为约6.88亿美元, 预计到 市场规模将增长至13.08亿美元, 年复合增长率高达17.4%。因此, LED通用照明成为热点市场。
　　本文旨在探讨LED通用照明市场不同功率范围及不同电源供电应用的要求, 以及适用的LED驱动器及相关元器件, 帮助照明设计工程师尽择适合的元器件方案, 加快上市进程。
　　不同功率AC-DC供电LED通用照明应用要求及方案
　　不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明应用所适合的电源拓扑结构各不相同。如在功率低于80 W的应用中, 反激拓扑结构是标准选择; 而在讲究高能效的应用中, 谐振半桥双电感加单电容(HB LLC)是首选。安森美半导体提供覆盖宽广功率范围的AC-DC LED照明方案, 表1列举了几种典型的安森美半导体AC-DC LED照明方案。

　　表1: 安森美半导体典型AC-DC LED通用照明解决方案。
　　从应用的功率等级来看, AC-DC供电的LED通用照明应用包括低功率、 中等功率和大功率等不同类型。低功率应用的功率范围一般在1到12 W之间, 中等功率涵盖8到40 W范围, 大功率应用的功率常高于40 W。
　　1)1 W至8 W LED通用照明应用要求及方案
　　在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面, 典型应用如G13、 GU10、 PAR16、 PAR20和嵌灯等。这类应用的输入电压范围在交流90至264 V之间, 恒流输出电流包括350 mA和700 mA两种, 能效要求为80%, 并要求提供短路保护和过压保护等保护特性。
　　在这类应用中, 能够采用安森美半导体的NCP1015自供电单片开关控制IC。这器件集成了固定频率(65/100/130 kHz)电流模式控制器和700 V的高压MOSFET, 提供构建强固的低成本电源所需的全部特性, 如软启动、 频率抖动、 短路保护、 跳周期、 最大峰值电流设定点及动态自供电功能(无需辅助绕组)等。
　　值得一提的是, NCP1015在1 W到8 W LED照明应用中, 既能够用于隔离型方案, 也可用于非隔离型方案, 满足客户的不同应用需求。这两种方案的成本差不多。但隔离型方案采用变压器实现电气隔离, 方案中包含简单的反馈电路和用于负载开路及故障保护的钳位电路, 安全性高, 更适合于需求经过安规认证的应用。非隔离型方案采用抽头电感来隔离交流信号, 能提高MOSFET工作的占空比, 提高系统能效及电路性能。

　　图1: 基于安森美半导体NCP1015的1至8 W隔离型(a)及非隔离型(b) LED照明方案。
　　上述基于NCP1015的隔离型及非隔离型方案均不含PFC, 但安森美半导体也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案, 为客户提供更多选择。
　　2)8 W至25 W LED通用照明应用要求及方案: 无PFC与有PFC
　　在8 W-25 W AC-DC LED照明应用中, 我们要考虑两种情况。一种是应用不要求功率因数校正(PFC)。另一方面, 美国能源部(DOE)”能源之星”固态照明(SSL)规范规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品, 如嵌灯、 橱柜灯及台灯, 其中, 住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7, 而商业应用中则须大于0.9。但这标准属于自愿性标准, 即可选择不遵从或遵从。因此, 要考虑的另一种情况是要求PFC。
　　不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面, 典型应用如PAR30、 PAR38和嵌灯。在这类应用中, 输入电压要求为85~135 Vac或185~264Vac(或通用输入), 能效要求大于80%, 提供短路保护及开路保护等保护特性, 恒流输出电流为350 mA、 700 mA及1 A等不同电流。相应地, 能够采用安森美半导体的NCP1028或NCP1351, 见图2。

　　图2: 基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(无PFC)
　　其中, NCP1028是一款增强型单片开关控制IC, 提供800 mA峰值电流, 还提供过功率保护、 内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性, 适用于在通用宽电源输入的应用中提供几瓦至15 W的输出功率。除了基于NCP1028的无PFC方案, 安森美半导体现也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351则是一款固定导通时间、 可变关闭时间脉宽调制(PWM)控制器, 适用于成本至关重要的低功率离线反激开关电源应用。这器件支持频率反走, 还具有闩锁输入、 自然的频率抖动、 负电流感测及扩展的电源电压范围等特性。
　　在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面, 典型应用同样是PAR30、 PAR38和嵌灯。这类应用的输入电压规格为90至264 Vac, 能效要求80%, 支持350 mA、 700 mA及1 A恒流输出, 提供短路及过压保护, 功率因数要求高于0.9。这类应用适合采用安森美半导体的NCL30000单段式功率因数校正LED驱动器。单段式拓扑结构省下专用PFC升压段, 减少元器件数量, 帮助降低系统总成本。NCL30000提供高于0.9的功率因数, 满足IEC C类谐波含量要求。这器件能够直接驱动LED, 带精确恒流输出控制, 在5至15 W的较低输出功率时能效高于80%, 典型能效高于83%, 并支持TRIAC等现有调光方案。

　　图3: 基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)
　　3)50 W至200 W LED通用照明应用要求及方案
　　功率高于50 W的AC-DC LED应用广泛用于街道照明及大功率区域照明, 能够采用不同的LED方案, 用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范围。假定其输入电压规格为90--264 Vac, 功率因数高于0.9, 能效大于85%, 提供短路及过压保护, 及350 mA、 700 mA和1 A的恒流输出。此类应用能够采用下述不同方案, 适应不同需求:
　　NCL30001: 单段式PFC LED驱动器;
　　NCP1607+NCP1377: CrM PFC+ QR PWM;
　　NCP1607+NCP1397或NCP1392/3: CrM PFC+ LLC PWM。

　　图4: 基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案。
　　以NCL30001为例, 这是一款电流连续模式(CCM)控制器, 用于40 W到150 W功率范围的单段式功率因数校正LED驱动器。这器件支持20到250 kHz的可调节开关频率, 支持频率抖动和电压前馈, 包含输入欠压和过载定时器, 提供高能效和高功率因数及强固的保护特性, 图4是NCL30001的典型应用电路图。
　　值得一提的是, 近年来, 业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓, 期望在相对较低的功率电平(<50 W)提供高于90%的能效, 这个能效目标甚至比”能源之星”2.0版外部电源能效要求(功率不超过49 W时能效高于87%)更高。要达到这样高的能效, 需要采用新的拓扑结构, 如从反激拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构, 从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。有利的是, 安森美半导体早已着手开发能用于LED驱动电源的高能效半桥解决方案, 如NCP1396及其升级版NCP1397高性能谐振模式控制器。NCP1397内置高端和低端驱动器, 支持可调节及精确的最低频率, 提供极高能效, 并具备多种故障保护特性。
　　不同功率DC-DC供电LED通用照明应用要求及方案
　　对于直流-直流(DC-DC)供电的LED照明应用而言, 同样能够根据不同功率范围来展开讨论。
　　4)1 W-3 W DC-DC LED降压应用
　　典型1 W-3 W DC-DC LED降压照明应用包括MR11/MR16、 汽车照明、 太阳能供电等。这类应用的输入电压为5到28 Vdc, 支持350 mA和700 mA恒流输出, 频率达500 kHz至2 MHz, 能效不低于90%, 工作温度范围为-40℃至125℃。在这类应用中, 能够采用安森美半导体的CAT4201降压LED驱动器。这器件拥有专利的开关控制架构, 可驱动7颗串联LED(24 V输入时), 能效高达94%, 并提供LED开路保护、 限流和过热保护等保护特性。    

　　 图5: CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案。
　　5)1 W-30 W DC-DC LED降压应用
　　典型1 W-30W DC-DC LED降压应用包括MR16射灯、 街道照明中的次级端DC-DC LED驱动器。这类应用中, 输入电压范围为7 至120 Vdc, 输出电压范围为6至110 Vdc, 支持350 mA、 700 mA或1 A恒流输出, 能效不低于90%。这类应用能够采用安森美半导体的NCL30100降压LED驱动器, 这器件外置开关MOSFET, 提供灵活的输入电压和输出电流设计, 能效高于95%, 其应用电路图参见图6(a)。

　　图6: 基于NCL30010的1-30 W LED降压应用和基于NCP3066的3-20 W LED升压应用。
　　6)1 W-20 W DC-DC LED升压应用
　　典型3 W-20 W DC-DC LED升压应用常见于DC-DC LED驱动器。这类应用的输入电压为5至28 Vdc, 支持350 mA或700 mA恒流输出, 能效不低于90%。这类应用能够采用安森美半导体的NCP3065/NCP3066 LED驱动器。NCP3065/NCP3066能够配置为降压、 升压、 单端初级电感转换器(SEPIC)和逆变器等不同模式, 并提供相应的汽车应用版本, 即NCV3065/NCV3066。图6(b)显示的是NCP3066的升压配置LED应用电路图。
　　7)1 W-3 W手电筒LED升压/降压应用
　　1 W-3 W手电筒LED应用中既有升压型, 也有降压型。升压型应用的输入电压范围为1至2.5 Vdc, 工作频率达1.2 MHz; 降压型应用的输入电压范围为4至5.5 Vdc, 频率达1.7 MHz。两类应用都需支持350 mA或600 mA恒流输出, 能效高于90%。在1-3 W手电筒升压LED应用可采用安森美半导体的NCP1421升压DC-DC转换器, 同等功率范围的手电筒降压LED应用能够采用安森美半导体的NCP1529低压降压转换器, 应用电路图分别如图7(a)和图7(b)所示。

　　图7: 基于NCP1421的升压型和基于NCP1529的降压型1-3 W手电筒LED应用。
　　特别适合低电流LED照明应用的线性恒流稳流器
　　前文根据不同的供电类型, 探讨了不同功率范围LED应用的要求及适合采用的驱动电源方案。但纵观不同的LED照明应用, 能够发现有一类应用侧重于低电流应用, 典型应用如商业和工业标识牌、 汽车停车灯和尾灯, 以及建筑物和装饰照明等。这类低电流LED应用常见的驱动方案包括低压降线性稳压器和电阻等。这两种驱动方案各有其优劣势。
　　有利的是, 安森美半导体利用正申请专利的自偏置晶体管(SBT)技术, 结合自身超强的工艺控制能力, 推出一种新的低电流LED驱动方案--NSI45系列双端和三端线性恒流稳流器(CCR)。这种方案比线性稳压器更简单, 且成本更低, 但性能相比电阻方案又大幅提升, 填补了市场空隙。NSI45系列提供众多优势, 如在宽电压范围下保持亮度恒定, 输入电压较高时保护LED免受过驱动影响, 输入电压较低时仍使LED较亮, 帮助减少或消除LED编码库存, 以及帮助降低系统总成本等, 非常适合低电流LED电流应用。
　　LED照明应用中的其它产品及方案
　　众所周知, LED照明系统较为复杂, 涉及光学、 电和热等不同范畴。安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、 高能效硅方案供应商, 提供完整的LED照明解决方案, 除了驱动电源外, 还包括通信、 光传感器、 MOSFET、 整流器、 保护、 滤波器和热管理产品, 参见图8。
　　例如, LED环境光及街灯强度控制、 LED背光强度控制和显示屏白平衡控制等应用需要能耗极低的环境光传感器, 并要求光传感器支持精确的低光等级工作, 特别是在存在滤光的情况下。在这类应用中, 安森美半导体提供包括光传感器、 LED驱动器及高速I2C接口的光电产品组合, 其中的光传感器产品包括NOA1211(模拟输出)、 NOA1302(数字输出)和NOA1305(数字输出)等。这些光传感器的工作电流极低, 在100流明光输出条件下分别仅为58 μA、 550 μA和115 μA。
　　另外, LED街灯等应用为了降低后期维护成本, 可在应用中增加保护器件, 如采用安森美半导体的NUD4700, 在发生LED开路故障条件时提供旁路电流, 保证其它LED正常工作, 且恰当处理散热的话, 还可支持大于1 A电流。另外, 在智能电网趋势下, 工程师还能够在LED联网街灯应用中采用安森美半导体的AMIS-30585和AMIS-49587电力线载波(PLC)调制解调器及NCS5650 PLC线路驱动器等产品。除此之外, 安森美半导体的BC858CDXV6T1G双极结晶体管(BJT)也可用于在LED照明应用的低能耗恒流感测。

　　图8: 安森美半导体能为LED照明应用提供完成光电组合产品解决方案。
　　总结:
　　随着高性价比、 超高亮度LED的出现, 固态照明近年来快速发展。相应地, 照明设计工程师需要根据供电电源、 灯具、 功率范围和LED配置等情况, 选择不同的LED驱动电源解决方案。安森美半导体从系统角度出发, 提供考虑电、 热和光等多种因素的高可靠性产品, 包括丰富的AC-DC和DC-DC供电高能效LED驱动解决方案, 以及光传感器、 滤波、 保护及联网等产品, 为客户提供完整的LED照明解决方案。
　　安森美半导体身为全球领先的高性能、 高能效硅方案供应商, 提供涵盖1 至数百瓦功率范围的LED照明驱动及PFC解决方案, 而无论LED照明应用采用何种的是AC-DC电源、 DC-DC电源或是LED手电筒所采用的电池, 并满足客户对低成本、 高性价比、 高能效或是选择是否增加PFC的不同要求。