半導體中高功率照明LED驅動(dòng)器方案

LED的諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統光源，在小功率應用上越來(lái)越多地出現在我們日常工作生活中，而在我們傳統定義的20至400瓦的中高功率照明范圍內，熒光燈、高強度氣體放電燈還是主流。但隨著(zhù)大功率LED產(chǎn)品的不斷推陳出新，模塊化的LED燈條、大陣列LED等產(chǎn)品的出現，公路、體育館、戶(hù)外大型設施等需要大功率照明的應用場(chǎng)景中也越來(lái)越多出現LED產(chǎn)品的身影。

LED照明電路相對設計簡(jiǎn)單、能集成控制、可方便實(shí)現調光、能有效降低電力消耗，所以在強調智能、綠色照明的今天，中高功率LED產(chǎn)品逐步替代高強度氣體放電燈（HID）等傳統光源已經(jīng)是大勢所趨。但我們也看到模塊化的LED燈條和陣列對電源驅動(dòng)的要求不盡相同，如何為中高功率LED照明產(chǎn)品提供可靠、高效、靈活的驅動(dòng)電源方案是設計人員常面臨的挑戰。安森美半導體積極推動(dòng)高能效創(chuàng )新，充分利用在電源領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，提供應用于LED照明不同的領(lǐng)域。而針對中大功率LED照明應用的不同需求，安森美半導體提供功率因數校正(PFC）控制器、準諧振及固定頻率的反激控制器和開(kāi)關(guān)穩壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅動(dòng)及LLC控制器、次級端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等，以滿(mǎn)足不同電路拓撲設計的不同需求。

單段式功率因數校正(PFC)方案

功率因數校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線(xiàn)、斷路開(kāi)關(guān)、電力設施帶來(lái)的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式（常見(jiàn)兩段式）兩種結構。單段式（如圖1所示）可直接電流驅動(dòng)，只需單個(gè)開(kāi)關(guān)及磁性元件，缺點(diǎn)則是100/120Hz紋波，MOSFET應力更大，占空比更大，功率限制在100-150W。

圖1.單段式PFC結構示意圖

典型的單段式PFC LED驅動(dòng)方案有如安森美半導體的NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供高功率因數設計。安森美半導體基于NCL30000構建的25 W高功率因數單段式LED驅動(dòng)器參考設計接受90-305Vac寬輸入電壓范圍，能效高于87%，輸入電流總諧波失真(THD)小于15%，功率因數(PF)大于0.97，輸出功率25W(Vf=36Vdc)，LED電流700mA±4%，最大LED電壓44Vdc。安森美半導體還推出了單段式連續電流模式(CCM) PFC LED驅動(dòng)器NCL30001，可以配置為恒流驅動(dòng)器或固定輸出電壓驅動(dòng)器，適合40W到150W LED照明設計。

兩段式PFC + DC-DC轉換方案

除了上述單段式方案，設計人員還可以根據應用需求選擇傳統的兩段式（PFC段+DC-DC轉換段）方案（如圖2所示）。前段PFC的功能一方面實(shí)現輸入電流整形以減小輸入電流諧波，另一方面將輸入交流電壓轉換為穩定的直流電壓（變化范圍一般為380V-400V），后段的DC-DC轉換器實(shí)現隔離和變換，將穩定直流電壓變換為所需要的電壓，通?？梢杂梅醇?、LLC或者降壓實(shí)現，其優(yōu)點(diǎn)是易于擴展功率和尺寸，易于提供次級端偏置電源，但相應會(huì )帶來(lái)成本上的提升。

圖2.兩段式PFC結構示意圖

具體而言，兩段式方案中的PFC段可選用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。

其中，NCP1605是增強型高壓、高能效待機模式功率因數控制器，工作在固定頻率非連續導電模式(DCM)和/或臨界導電模式(CrM)。NCP1605能夠作為PFC主控端工作，確保電源的第二段僅在安全條件下啟動(dòng)。它集成跳周期功能，將待機損耗降到最低。

NCP1631則是安森美半導體推出的一款單芯片2相交錯式PFC控制器，可以替代2顆NCP1601，驅動(dòng)2個(gè)PFC支路，提供接近1的高功率因數。

采用傳統的CrM/BCM控制時(shí)，負載減少時(shí)開(kāi)關(guān)頻率上升，輕載時(shí)控制器可能進(jìn)入“突發(fā)的調頻模式”，產(chǎn)生噪聲；采用電流控制頻率反走(CCFF）控制時(shí)，負載減小時(shí)開(kāi)關(guān)頻率減小，降低噪聲，輕載時(shí)控制器頻率較低，可在高于可聽(tīng)頻帶的頻率鉗位，極輕載時(shí)采用跳周期模式工作，可以關(guān)閉以提升更好的THD，谷底導通進(jìn)一步提升能效，減小電磁干擾(EMI)（如圖3所示）。NCP1611/NCP1612基于創(chuàng )新的CCFF架構，在PFC電感電流超過(guò)設定值時(shí)，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低于預設值時(shí)，將開(kāi)關(guān)頻率線(xiàn)性降低至約20 kHz，此時(shí)電流為零。NCP1615同樣基于CCFF架構，當電流在預設水平以下時(shí)，NCP1615芯片的控制頻率會(huì )線(xiàn)性衰減到26KHz。