對應不同功率的各種LED驅動(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下降，使其應用范圍不斷拓寬，除了已經(jīng)在屏幕尺寸小于4英寸的便攜設備背光及體育場(chǎng)館大型顯示屏等應用中占據主導地位，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?？捎^(guān)。

　　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(臺燈、櫥柜內照明)、景觀(guān)照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等通用照明市場(chǎng)為例，據估計，當前LED照明(或稱(chēng)固態(tài)照明，英文簡(jiǎn)稱(chēng)SSL)的應用比例低于1%，2008年LED驅動(dòng)器及相關(guān)分立器件的市場(chǎng)規模(SAM)僅為約6.88億美元，預計到2012年市場(chǎng)規模將增長(cháng)至13.08億美元，年復合增長(cháng)率高達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用的要求，以及適用的LED驅動(dòng)器及相關(guān)元器件，幫助照明設計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通用照明應用要求及方案
不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應用所適合的電源拓撲結構各不相同。如在功率低于80 W的應用中，反激拓撲結構是標準選擇；而在講究高能效的應用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導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體AC-DC LED照明方案。

　　表1：安森美半導體典型AC-DC LED通用照明解決方案。

　　從應用的功率等級來(lái)看，AC-DC供電的LED通用照明應用包括低功率、中等功率和大功率等不同類(lèi)型。低功率應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，大功率應用的功率常高于40 W。

　　1)1 W至8 W LED通用照明應用要求及方案

　　在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面，典型應用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類(lèi)應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和過(guò)壓保護等保護特性。

　　在這類(lèi)應用中，可以采用安森美半導體的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，提供構建強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、跳周期、最大峰值電流設定點(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照明應用中，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，滿(mǎn)足客戶(hù)的不同應用需求。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實(shí)現電氣隔離，方案中包含簡(jiǎn)單的反饋電路和用于負載開(kāi)路及故障保護的鉗位電路，安全性高，更適合于需求通過(guò)安規認證的應用。非隔離型方案采用抽頭電感來(lái)隔離交流信號，能提高M(jìn)OSFET工作的占空比，提高系統能效及電路性能。

　　圖1：基于安森美半導體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，但安森美半導體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，為客戶(hù)提供更多選擇。

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

　　在8 W-25 W AC-DC LED照明應用中，我們要考慮兩種情況。一種是應用不要求功率因數校正(PFC)。另一方面，美國能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規范規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動(dòng)器功率因數須大于0.7，而商業(yè)應用中則須大于0.9。但這標準屬于自愿性標準，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，典型應用如PAR30、PAR38和嵌燈。在這類(lèi)應用中，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%，提供短路保護及開(kāi)路保護等保護特性，恒流輸出電流為350 mA、700 mA及1 A等不同電流。相應地，可以采用安森美半導體的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、內置斜坡補償及輸入欠壓保護等特性，適用于在通用寬電源輸入的應用中提供幾瓦至15 W的輸出功率。除了基于NCP1028的無(wú)PFC方案，安森美半導體現也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間脈寬調制(PWM)控制器，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線(xiàn)反激開(kāi)關(guān)電源應用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動(dòng)、負電流感測及擴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，典型應用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。這類(lèi)應用的輸入電壓規格為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，功率因數要求高于0.9。這類(lèi)應用適合采用安森美半導體的NCL30000單段式功率因數校正LED驅動(dòng)器。單段式拓撲結構省下專(zhuān)用PFC升壓段，減少元器件數量，幫助降低系統總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數，滿(mǎn)足IEC C類(lèi)諧波含量要求。這器件能夠直接驅動(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等現有調光方案。

　　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通用照明應用要求及方案

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

NCL30001：?jiǎn)味问絇FC LED驅動(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校正LED驅動(dòng)器。這器件支持20到250 kHz的可調節開(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及強固的保護特性，圖4是NCL30001的典型應用電路圖。

　　值得一提的是，近年來(lái)，業(yè)界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃，期望在相對較低的功率電平(50 W)提供高于90%的能效，這個(gè)能效目標甚至比“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。要達到這樣高的能效，需要采用新的拓撲結構，如從反激拓撲結構轉向諧振半橋拓撲結構，從而充分發(fā)揮零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)的優(yōu)勢。有利的是，安森美半導體早已著(zhù)手開(kāi)發(fā)能用于LED驅動(dòng)電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397內置高端和低端驅動(dòng)器，支持可調節及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護特性。

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

　　4)1 W-3 W DC-DC LED降壓應用

　　典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應用包括MR11/MR16、汽車(chē)照明、太陽(yáng)能供電等。這類(lèi)應用的輸入電壓為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)應用中，可以采用安森美半導體的CAT4201降壓LED驅動(dòng)器。這器件擁有專(zhuān)利的開(kāi)關(guān)控制架構，可驅動(dòng)7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時(shí))，能效高達94%，并提供LED開(kāi)路保護、限流和過(guò)熱保護等保護特性。 圖5：CAT420