離線(xiàn)高功率因數TRIAC調光LED驅動(dòng)器參考設計

標簽：LED 照明 光源

據國際能源署(IEA)估計，全球消耗的電能中有19%是用于照明。因此，近年來(lái)，世界各國紛紛致力于以更高能效的方案來(lái)替代低能效的白熾燈光源。而隨著(zhù)發(fā)光二極管(LED)在流明輸出及光效方面持續快速進(jìn)步，同時(shí)，平均每流明光輸出的成本也在下降，再結合LED在高指向性、長(cháng)壽命和低維護成本等方面的優(yōu)勢，LED照明(也稱(chēng)固態(tài)照明，或SSL)成為一種極為引人注目的替代解決方案。

針對固態(tài)照明的能效規范要求

為了促進(jìn)節能，世界各地的政府機構或規范組織制定了不同LED照明規范，主要體現在對功率因數(PF)的要求方面。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)規定了功率大于25 W照明應用的總諧波失真性能，某些地區的其它國際標準也適用這規定。

另外，美國能源部制定及發(fā)布了針對固態(tài)照明燈具的“能源之星”標準。這項自愿性標準包含針對常見(jiàn)住宅和商業(yè)照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺燈)的系列要求，涵蓋最低流明輸出、總體光效、可靠性目標、光色溫及一系列其它關(guān)鍵系統級要求。值得注意的是，這個(gè)標準中并不直接包含電源能效要求，但包含功率因數要求，即不論是何種功率等級，住宅應用要求的PF大于0.7，商業(yè)應用要求的PF大于0.9，而集成LED燈光的要求是PF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，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(dòng)擁有高功率因數的產(chǎn)品在公用設施中的商業(yè)應用。此外，公用事業(yè)機構擁有/維護街燈時(shí)，他們可以根據自己的意愿，來(lái)決定是否要求產(chǎn)品擁有高功率因數(通常大于0.95+)。

13 W LED嵌燈設計示例

1)參照代用標準確立最大負載設計目標

以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標準為例，這標準包含決定燈具光效的總體性要求;實(shí)際上，這標準是一個(gè)系統級標準，涉及所選LED、現場(chǎng)工作溫度、光學(xué)組件、驅動(dòng)器電源轉換能效等。燈具開(kāi)發(fā)人員因而可以在LED的選擇、光學(xué)組件的使用、熱管理方案、驅動(dòng)器拓撲結構及設計方面折衷取舍，從而符合整體要求。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)應用固態(tài)照明規范1.1版對嵌燈的關(guān)鍵系統要求。

表1：“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)固態(tài)照明規范之嵌燈關(guān)鍵要求。

最常見(jiàn)的嵌燈是較大孔徑類(lèi)嵌燈。對于住宅及商業(yè)應用而言，除了功率因數方面的差別，設計人員能夠靈活地使用中性及暖白光LED。從表1中的最低要求可以看出，要獲得575流明的最低輸出，最大輸入功率閾值約為1* W。

由于沒(méi)有直接適用的LED驅動(dòng)器能效標準，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標準作為代用標準。根據EPS 2.0標準，額定功率在1到49 W之間的標準電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此，符合這標準的12 W額定功率電源的最低能效為77.7%，15 W電源則為79.1%。由于LED燈具標準基于輸入插座能效，有必要將驅動(dòng)器能效目標轉換為有效的LED負載。為了增加一些設計裕量，我們將最低目標能效定為80%。這樣一來(lái)，LED負載就為1* W×80%，即13.1 W。

這樣，我們就確定了最大負載設計目標。LED光效受制于LED制造商以及驅動(dòng)電流和工作溫度。安森美半導體這GreenPoint參考設計選擇的是350 mA的恒定電流，支持市場(chǎng)上大多數高亮度功率LED。另一個(gè)要顧及的因素是燈具開(kāi)發(fā)人員可以選擇寬范圍的LED，所選LED的光效越高，要求采用的LED數量就越少。因此，這GreenPoint參考設計在50%至100%額定負載時(shí)的能效應當較高。隨著(zhù)LED光效的提升，可以輕易修改同一個(gè)基本電源設計來(lái)驅動(dòng)更少的LED，從而提供遠高于最低要求的燈具光效。

2)其它設計要求

確定了基本設計要求，就需要考慮與終端應用需求有關(guān)的其它系統因素。例如，雖然標準中并無(wú)要求，但兼容已有線(xiàn)路調光方案很重要。因此，應當針對三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件(TRIAC)壁式調光器來(lái)優(yōu)化設計。TRIAC調光的挑戰不少，但有一項因素設計人員可能容易忽略，就是驅動(dòng)器應當能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動(dòng)及工作。而且，驅動(dòng)電源的尺寸應當匹配嵌燈燈具接線(xiàn)盒。還應該注意一項人的因素要求。雖然LED實(shí)際上在瞬間之間就發(fā)光，但驅動(dòng)器的設計要留出特定的啟動(dòng)時(shí)間。不管是什么LED燈具，這方面的表現都應該不比CFL差，甚至應該更好。所以，我們可以把CFL作為參照基準。“能源之星”CFL燈泡要求中，額定條件下最大啟動(dòng)時(shí)間為1秒，因此，我們將就LED驅動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)間方面的設計目標定在0.5秒。由于這個(gè)設計面向住宅或商業(yè)應用，因此我們定下的規格目標更具挑戰性。表2總結了本GreenPoint參考設計關(guān)鍵的設計目標。

表2：關(guān)鍵設計目標。

3)設計途徑：采用單段式方案提供高功率因數

要實(shí)現高功率因數、電源能效目標及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數的單段式拓撲結構。由于功率目標較低，傳統的兩段式拓撲結構(PFC升壓+反激轉換)就無(wú)法滿(mǎn)足要求了。因此，我們使用了基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓撲結構。

單段式拓撲結構省下專(zhuān)用的PFC升壓段，幫助減少元器件數量，降低系統總成本。但采用單段式拓撲結構，系統也會(huì )受到一些影響，如無(wú)初級高壓能量存儲，輸出電壓保持時(shí)間較短。另外，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來(lái)滿(mǎn)足維持要求，及對動(dòng)態(tài)負載反應較慢等。有利的是，這對眾多LED照明應用而言不構成問(wèn)題，因為L(cháng)ED照明應用無(wú)系統維持時(shí)間要求，而且紋波匯入平均光輸出，人眼不會(huì )察覺(jué)。

設計針對高功率因數(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求，并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形。這對兼容TRIAC調光非常重要，因為T(mén)RIAC調光器原本用于白熾燈，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻，即充當電阻型負載。用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設計的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相。

圖1顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數反激拓撲結構的簡(jiǎn)化功能框圖。從圖1中可以看出，隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個(gè)主要功能，一是緊密穩流350 mA的恒定電流，并為初級端提供反饋，用于調節導通時(shí)間，對流經(jīng)LED的恒定電流進(jìn)行穩流;二是在發(fā)生開(kāi)路事件時(shí)，進(jìn)入恒壓控制模式，在故障事件下產(chǎn)生穩壓固定電壓。開(kāi)路電壓穩壓為UL1310 2類(lèi)電源的60 Vdc最大電壓限制。此外，無(wú)意中碰到輸出短路時(shí)，還能限制功率，避免損壞LED。

這GreenPoint參考設計的詳細設計過(guò)程參見(jiàn)安森美半導體另行提供的NCL3000數據表及兩篇設計筆記，參見(jiàn)參考資料[2]至[5]。

圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動(dòng)器GreenPoint參考設計簡(jiǎn)化框圖。

4)測試結果

測試結果顯示，這參考設計的性能超過(guò)了表2中所列的全部設計目標，參見(jiàn)圖2(詳見(jiàn)參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線(xiàn)路電壓范圍下LED驅動(dòng)器的功率因數和輸入電流總諧波失真，可以看出這參考設計的功率因數很高(超過(guò)商業(yè)照明0.9的最低功率因數要求)，總諧波失真低(20%)。圖3顯示了不同負載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個(gè)工作點(diǎn)下的能效作平均計算，可得出總平均能效為80.7%;而在50%至100%負載的關(guān)鍵工作區域，能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設計定下的80%能效目標，還超過(guò)了EPS 2.0標準對15 W電源79.1%的能效要求。損耗來(lái)源中包含輸入EMI段支持TRIAC調光所需的15歐姆限流電阻的能耗。

圖2：90至135 Vac輸入線(xiàn)路電壓條件下的功率因數和總諧波失真。

圖3：輸入電壓為115 Vac時(shí)不同負載條件下的能效。

總結：

要設計滿(mǎn)足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線(xiàn)LED驅動(dòng)器存在不少挑戰。本參考設計文檔顯示，安森美半導體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調光LED驅動(dòng)器GreenPoint參考設計達到了所有關(guān)鍵性能指標，如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應用固態(tài)照明功率因數要求，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關(guān)鍵負載條件下的能效要求。這參考設計還為系統開(kāi)發(fā)人員提供靈活性，使他們能夠升高或降低功率，滿(mǎn)足不同功率應用的要求。這種途徑讓設計人員能夠靈活應對LED光效提升，便于他們設計LED數量更少但仍提供預期光輸出的燈具。