基于交/直流電源的LED驅動(dòng)電路設計實(shí)例

根據具體應用的不同，LED可能會(huì )采用不同的電源來(lái)供電，如交流線(xiàn)路、太陽(yáng)能板、12V汽車(chē)電池、直流電源或低壓交流系統，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

一、采用交流離線(xiàn)電源為LED供電

在采用交流離線(xiàn)電源為LED供電的應用中，涉及到眾多不同的應用場(chǎng)合，如電子鎮流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈泡、街道和停車(chē)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(dòng)大功率LED的應用中，有兩種常見(jiàn)的電源轉換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanicisolation)時(shí)使用反激轉換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)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5W(電流為350mA、700mA或1A)的緊湊型設計應用，NCP1014/1028可以提供高達8W的連續輸出功率，而NCP1351則適合于大于15W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(xiàn)式PWM開(kāi)關(guān)穩壓器，具有集成的700V高壓MOSFET，均采用350mA/22Vdc變壓器設計及700mA/17Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265Vac，具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關(guān)閉保護等特性，適合于LED鎮流器、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(kāi)路輸出保護功能，會(huì )在開(kāi)路時(shí)將輸出鉗位至24V電壓。在這設計中，電流和開(kāi)路電壓能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來(lái)調整。值得一提的是，如果針對230Vac交流線(xiàn)路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達19W的功率，NCP1028能夠提供高達25W的功率。

圖1：安森美半導體離線(xiàn)式第二代LED驅動(dòng)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25W，LED驅動(dòng)器則面臨著(zhù)功率因數校正(PFC)的問(wèn)題。例如，歐盟的國際電工委員會(huì )(IEC)針對照明(功率大于25W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規定。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(wú)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(yíng)事業(yè)機構將推動(dòng)LED的大規模應用，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(yíng)事業(yè)機構擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí)，LED是否具有較高功率因數(通常大于0。95)取決于公營(yíng)事業(yè)機構的意愿，如果他們愿意，則相應的LED驅動(dòng)解決方案必須滿(mǎn)足這方面的要求。

圖2：需要PFC的LED驅動(dòng)應用中不同架構對比

在這類(lèi)可能需要采用PFC控制器的應用中，傳統的解決方案是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(jiǎn)單，但在總體能效方面會(huì )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(zhù)LED技術(shù)的持續改進(jìn)，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(jiǎn)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(lái)實(shí)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”穩流的簡(jiǎn)單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來(lái)直接從交流線(xiàn)路為驅動(dòng)器供電。圖3顯示的是安森美半導體NCP1216PWM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(xiàn)式LED驅動(dòng)應用

它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢，從交流主電源直接為控制器供電，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。這設計適合120Vac條件，若要用于230Vac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(dòng)設計，IC和LED并非對地參考。在對器件進(jìn)行供電之前，LED必須連接至電路板。

對于這類(lèi)降壓控制方式而言，當控制的LED數量減少時(shí)，它的一項局限就會(huì )出現，因為這時(shí)占空比會(huì )變得極窄。而且開(kāi)關(guān)控制器在電流被感測到之前會(huì )有200至400ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)適應正常操作，并通過(guò)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(guò)元件修改來(lái)輕易擴展，從而也能驅動(dòng)更長(cháng)的LED串。

二、采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(cháng)ED供電

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(yáng)能電池以及低壓的12和24VAC交流系統。這類(lèi)的照明應用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀(guān)和道路照明、汽車(chē)和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。

表1：寬輸入范圍的DC-DCLED應用

即使目標是采用恒定電流驅動(dòng)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(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當的線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)電源拓撲結構，如線(xiàn)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。5A開(kāi)關(guān)，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40V，具有235mV的低反饋電壓，工作頻率可調節，最高250kHz。其它特性包括：能進(jìn)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(shí)內部熱關(guān)閉等。