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不同功率等级的LED照明驱动器方案

类别: 发布时间:2011-12-12

       随着LED技术的发展,LED的应用已从传统小功率可携式产品背光推广到中大功率的室内照明,室外照明及手电筒等应用.依据驱动电源的不同,LED照明通常可以划分为交流-直流(AC-DC)LED照明,直流-直流(DC-DC)LED照明电源以及电池供电的LED手电筒等不同类型,LED灯具及其功率也各不相同,如3WPAR16,3×2WPAR20,10W/15WPAR30,15W/22WPAR38,1WG13,3WGU10,1WMR11,3WMR16,3W/9W/15W嵌灯,1W-3W阅读灯等.

1,AC-DCLED照明解决方案

       安森美半导体在AC-DC电源供电的LED照明应用中,提供各种离线控制器及功率因子修正(PFC)控制器,并配合隔离及非隔离要求提供不同的LED应用方案.在交流线路电压与LED之间没有物理电气连接的隔离应用中,常见的拓扑结构有反激(Flyback)及双电感加单电容(LLC)半桥谐振.不同拓扑结构适合于不同的功率范围或用于满足特别的设计要求.例如,反激拓扑结构是小于100W的中低功率应用的标准选择,而LLC半桥拓扑结构则是大功率和高效能的首选方案.
 
图1:不同功率范围的隔离型拓扑结构
       AC-DCLED照明应用中,小功率的LED应用通常以定电流(CC)来驱动,而定电压(CV)功能是在输出开路的情况下将作保护功能.大功率的LED应用可能需要在电路中增加PFC,其中的AC-DC转换与LED驱动两部分电路既可能采用整体式(integral)配置,即两者合而为一,均位于照明灯具内,也可以采用分布式(distributed)配置,如图2,从而简化安全考虑,并增加系统灵活性.
 
图2:大功率LED驱动的分布式(distributed)配置结构
 
       从应用的具体功率范围来看,AC-DCLED照明的电源方案应用主要包括:
1W-8W:G13/GU10/PAR16/PAR20照明
8W-25W:PAR30/PAR38照明
50W-300W:区域照明
 
1)1W-8WAC-DCLED照明应用
       这类应用要求的输入电压为90至264Vac,效能达80%,同时提供短路保护,过压保护等保护特性,并提供350mA,700mA定电流,应用领域包括G13,GU10,PAR16,PAR20及嵌灯(downlight)等.
       在这类应用中可以采用安森美半导体的NCP1015自供电单片开关稳压器.这颗组件整合了固定频率(65/100/130kHz)电流模式控制器和700V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.图3显示的是NCP1015在隔离型1W-8W范围AC-DCLED照明应用的电路示意图.值得一提的是,NCP1015同样可用于非隔离型(电路中不含高频变压器)1W-8W范围的AC-DCLED照明应用,电路中可以采用抽头(tapped)电感来提高MOSFET工作的占空比,并改善系统效能及电路性能.
 
图3:安森美半导体8WLED驱动应用电路示电图(输入电压为85至264Vac)
 
2)8W-25WAC-DCLED照明应用
       美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供PFC.此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驱动器功率因子须大于0.7,而商业应用中则须大于0.9.但这项标准属于自愿性标准,即可以选择不遵从或是遵从.
       在8W-25WAC-DCLED照明应用中,我们考虑两种情况,一种是在应用中没有功率因子要求,即不需采用PFC控制器,另一种是要求采用PFC控制器.在不采用PFC的应用中,我们假定输入电压规格为90-132Vac或180-264Vac(或通用输入),效能达85%,提供短路保护及开路保护等保护特性,输出电流为350mA,700mA及1A定电流,相应地可以采用安森美半导体的NCP1028或NCP1351.其中,NCP1028是一款增强型单片开关稳压器,适用于通用主电源输入的应用中提供数瓦至15W的输出功率.NCP1028的导通阻抗比NCP101x更低,提供800mA峰值电流,具备NCP101x的诸多特性,此外还提供过功率保护,内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性.NCP1351则是一款固定导通时间,可变关闭时间脉冲宽调变(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.这颗组件支持频率反走,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.图4显示的是90至264Vac输入条件下基于NCP1351的8W-25WLED照明方案.
 
图4:采用NCP1351的8W至25WAC-DCLED照明应用电路示意图.
 
       需要PFC的8W-25WAC-DCLED照明应用中,假设输入电压规格为90至264Vac,功率因子高于0.9,效能达80%,提供短路及过功率保护,输出电流同样有350mA,700mA和1A等不同选择.在这类应用中,可采用安森美半导体的NCP1607或NCP1608PFC控制器.NCP1607是一款高性价比的临界导电模式(CrM)PFC控制器.这颗组件与业界标准针脚完全兼容,可简化工程师的设计.可调节的过压保护(OVP)及环路开路保护等功能也增强了设计灵活性及强固性.图5展示的是NCP1607/NCP1608在85至135Vac或185至264Vac输入条件下的LED照明应用方案.
 
图5:采用NCP1607/8PFC控制器的8W-25WAC-DCLED照明应用示意图
 
3)功率高于50W的AC-DCLED照明应用
       在功率50W到300W的AC-DCLED应用广泛用于街道照明及大功率区域照明应用中,可采用不同的LED驱动方案,假设其输入电压规格为90至264Vac,功率因子高于0.95,效能达90%.
此类应用可采用下述不同方案,以适合不同应用要求:
NCP1652:改进型单段式PFC
NCP1607/8+NCP1377:临界导电模式PFC+准谐振电流模式PWM
NCP1607/8+NCP1396:临界导电模式PFC+半桥谐振LLC
NCP1901:最新型两段式(PFC+更高效率半桥谐振LLC)
       例如,在50W-150W的AC-DCLED应用中,既可以采用NCP1652这样的改进型单段式PFC控制器,也可以结合采用NCP1607/8PFC控制器及NCP1377准谐振(QR)模式PWM控制器.其中,NCP1377结合真正的电流模式调制器和退磁检测器,确保在任何负载/线路条件下提供完整的CrM工作,并确保最低的漏电压开关(准谐振工作).NCP1652驱动带有可编程死区时间的讯号,支持有源钳位或同步整流,提供最佳化的效能.这颗组件同时具有输入欠压保护,过压保护,过流保护等保护特性,支持频率抖动,跳周期及临界导电模式(CrM)/非连续导电模式(DCM)工作.基于NCP1652,采用85至135Vac或185至264Vac输入的50W-150WAC-DCLED方案的示意图如图6所示.
 
图6:采用NCP1652单段式PFC控制器的50W-150WAC-DCLED方案
 
       50W以上功率的AC-DCLED照明应用如需更高效能的LED电源,则需高效能的LED照明拓扑结构,往往从反激式拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构,以充分发挥零电压开关(ZVS)技术的优势.NCP1396及NCP1901都是安森美半导体开发的LED电源用高效能 桥谐振方案.图7显示的是基于NCP1901的最新型PFC+谐振半桥LED驱动器方案,输入电压为90至264Vac,功率100W至300W,其中半桥段工作在固定频率以及固定占空比,用于降低开关损耗.
 
图7:采用NCP1901的100W-300WAC-DCLED照明方案
 
 
2,DC-DCLED照明方案

       采用DC-DC电源供电的LED照明应用中,常见具体应用包括1W-3WMR11/MR16降压LED灯泡,1W-20W升压LED驱动器和20W-60W大功率LED驱动器.
       其中,在1W-3WDC-DCLED照明应用中,可以采用安森美半导体的CAT4201降压LED驱动器,这颗组件兼容于12V及24V系统,提供达350mA的LED驱动电流,能够在24V系统中驱动7个串联的LED,效能高达94%.这颗组件采用有专利的开关控制架构,帮助降低系统成本,支持CrM工作并提升效能.CAT4201还提供限流,热保护及LED开路保护等全面的保护特性.这颗组件在1W-3WDC-DCLED应用中的电路示意图如图8所示.


 
图8:采用CAT4201的1W-3WDC-DCLED方案
       而在功率范围达1W-20W的DC-DC升压LED应用中,可采用安森美半导体的NCP3065/6或NCV3065/6(汽车应用版本)降压,升压,单端初级电感转换器(SEPIC)及逆变多模LED驱动器,并选择其中的升压电路模式.另外,功率范围达20W-60W的DC-DC降压LED应用中可以采用安森美半导体的NCP1034同步降压PWM控制器.
3,LED手电筒驱动方案

       手电筒DC-DCLED照明方案包括升压型及降压型两种.1W-3W的升压型DC-DCLED手电筒应用中可以采用带真关闭功能的NCP1421升压DC-DC转换器,而1W-3W的降压LED手电筒应用中可以采用NCP1529低压降压转换器,二者的应用示意图见图9.
 
图9:采用NCP1421及NCP1529的LED手电筒升压和降压方案
 4,总结

       安森美半导体是全球领先的高性能,高效能硅方案供货商,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.无论是采用AC-DC电源,DC-DC电源或是LED手电筒所采用的电池的LED照明驱动器,安森美半导体都能提供给客户对低成本,高成本效益,高效能或是选择是否需要PFC的不同要求的LED照明驱动器方案.