LED一般照明(General Lighting)設(shè)計工程師會遇到許多挑戰(zhàn)，如功率密度、功率因子修正(PFC)、空間受限和可靠性等。這些LED照明設(shè)計挑戰(zhàn)和電源設(shè)計挑戰(zhàn)類似，具體講，LED一般照明有以下幾個挑戰(zhàn)：由于總光效(effecacy)要求及散熱限制的影響，即使是低功率應(yīng)用能效也很重要；在許多情況下，較低功率也要求功率因子校正和諧波處理；在空間受限應(yīng)用中，特別是替代燈泡應(yīng)用時，對驅(qū)動功率密度的要求很高；總體電源可靠性對提高整個燈的壽命非常重要；寬輸入電源電壓范圍應(yīng)該支援高達(dá)277 Vac；相容TRIAC調(diào)光等傳統(tǒng)特定照明要求。另外，LED一般照明還要符合仍在演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范，如美國Energy Star和歐盟的國際電子電機(jī)委員會(IEC)要求等。
安森美半導(dǎo)體一直致力于為LED照明提供豐富的解決方案，推出各種符合最新LED照明標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，包括AC-DC電源IC，DC-DC驅(qū)動器，CCR穩(wěn)流器，恒流恒壓(CCCV)控制，高壓FET， 整流器，數(shù)碼接口，環(huán)境光傳感器，保護(hù)，電力線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器等等。本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源配置及相關(guān)電路，幫助工程師應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，設(shè)計出滿足一般照明要求的產(chǎn)品。
安森美半導(dǎo)體LED照明方案
圖1顯示了安森美半導(dǎo)體所提供的應(yīng)用于LED一般照明的產(chǎn)品類型。
圖1：安森美半導(dǎo)體LED照明方案應(yīng)用示意圖
在安森美半導(dǎo)體用于LED照明的AC-DC電源配置中，1至10 W的照明應(yīng)用中推薦使用NCP1010~NCP1015，1至15 W可使用NCP1027/8，這些方案整合了MOS管，適用于隔離和非隔離應(yīng)用，支援次級PWM調(diào)光、類比調(diào)光或雙亮度等級調(diào)光，能效高達(dá)75－80％；1至30 W的應(yīng)用可以使用LV5026、5027、5028，支援隔離方案，典型能效85％左右；1至40 W推薦使用NCL30000，可進(jìn)行初級可控矽調(diào)光，適用于隔離和非隔離方案，隔離方案能效80－85％。40至150 W推薦使用NCL30001，它是一個連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)控制芯片，隔離方案的典型能效85－90％；更大功率推薦使用NCL30051。圖2是這些方案輸出功率與能效的對比。以下將具體介紹這些方案的功能和特點(diǎn)。
圖2：LED照明的AC-DC電源配置輸出功率與效率的對比。
針對1至30 W功率AC-DC應(yīng)用的LV5026/27/28系列LED控制器
該系列是安森美半導(dǎo)體成員公司三洋半導(dǎo)體的LED控制器--LV5026M、LV5028TT和LV5027T，其中LV5026M具有TRIAC調(diào)光、PWM調(diào)光、類比調(diào)光和功率因子校正功能；LV5028TT只有TRIAC調(diào)光和功率因子校正功能。LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路如圖3所示。
圖3：LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路。
以功能最多的LV5026M為例，它是相容不同調(diào)光的高壓LED控制器，調(diào)光方式為TRIAC、類比輸入或PWM輸入，可選擇開關(guān)頻率(50 kHz，開路70 kHz)。該方案是一個低噪聲開關(guān)系統(tǒng)，采用5段跳躍模式頻率，可階躍驅(qū)動開關(guān)；其參考電壓可以選擇(內(nèi)部0.605 V及外部輸入電壓)，具有軟啟動功能和TRIAC穩(wěn)定功能。
旨在降低電磁干擾(EMI)的PWM控制架構(gòu)具有優(yōu)于競爭產(chǎn)品的特性。它采用2階躍驅(qū)動，可顯著減少噪聲；非恒定周期的5個級別頻率可有效消除EMI峰值。
低功率AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換有兩種方式，一種是非隔離降壓，要求機(jī)械式絕緣；其設(shè)計及電路配置簡單，電路板尺寸小，元件數(shù)量少，能效較高，物料單(BOM)成本也更低。另一種是隔離返馳，采用電氣(磁)隔離，易于滿足安全要求，磁學(xué)設(shè)計較復(fù)雜，適合較高功率的設(shè)計，需要較大的電路板尺寸。
LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈，可實(shí)現(xiàn)以下產(chǎn)品特性：采用階躍門驅(qū)動方法，具有振蕩頻率回轉(zhuǎn)功能、高門能力驅(qū)動電路、可外部調(diào)節(jié)參考電壓、支援多種調(diào)光器(TRIAC調(diào)光、數(shù)碼調(diào)光和類比調(diào)光)；此外還支持軟啟動、過流保護(hù)、熱關(guān)閉、過壓保護(hù)等。LV5027M/LV5028M是LV5026M的簡化版本，外部元件數(shù)量更少。
圖4：LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈。
針對要求高能效及空間受限應(yīng)用的低功率降壓方案NCL30100
NCL30100是一款高能效、峰值電流控制自我調(diào)整固定關(guān)閉時間降壓控制器，可用于空間及高能效至關(guān)重要的低功率及空間受限的應(yīng)用，如MR16 LED燈等。該方案具有振蕩頻率可調(diào)節(jié)特性，采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)，可以省去輸出電容，能效更高，并提供自然的LED開路保護(hù)。使用NCL30100可利用負(fù)電流傳感，用小型電感降低功率損耗，實(shí)現(xiàn)低成本、高能效(100 Vac Vo=36 V，能效>90%)及元件數(shù)量少的應(yīng)用。
圖5：單電壓輸入降壓方案NCL30100。
低功率離線降壓方案NCP1015
NCP1015單片開關(guān)電源IC能滿足交流85－265 Vac寬電壓輸入范圍，適合輸出功率在10 W以內(nèi)低功率離線降壓LED照明設(shè)計。此元件提供豐富特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定及動態(tài)自供電(DSS)等，不僅提升能效，還增強(qiáng)可靠性。在C8和IC的第1腳間加一個電阻可以提高能效，適合小電流、高電壓輸出。
圖6：NCP1015降壓方案。
適合降壓及降壓-升壓兩種配置的中低功率AC-DC方案NCL30000
采用NCL30000的“平均電流穩(wěn)流”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇兩種配置，一種是降壓配置(包含抽頭電感降壓配置)。其電感與LED串串聯(lián)，僅在輸入電壓大于輸出壓降時有電流流動；功率因子(PF)及輸入電流總諧波失真(THDi%)性能取決于輸出壓降與輸入電壓之比(VF/Vin)，比例越高，PF越低，比例越高，THDi越高。
另一種是降壓-升壓配置，電感沒有與LED串串聯(lián)，輸入電流波形或失真與輸出壓降無關(guān)；固有的LED故障保護(hù)功能在MOSFET短路時提供保護(hù)；LED正向壓降可以高于或低于輸入電壓；MOSFET開關(guān)電壓應(yīng)力為輸入電壓與輸出壓降之和(Vin+Vout)。
降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理是，僅在輸入電壓超過LED正向壓降(VF)時有電流流過；利用臨界導(dǎo)電模式(CrM)及恒定導(dǎo)通時間工作提供高功率因子；可直接傳感LED電流；低環(huán)路頻寬支持高功率因子工作；MOSFET電流等于LED峰值電流；MOSFET電壓應(yīng)力等于峰值線路電壓。
圖7是NCL30000高功率因子降壓方案應(yīng)用電路，需要線路可調(diào)光時，可根據(jù)線路及負(fù)載功率調(diào)節(jié)最大導(dǎo)通時間；相容TRIAC或尾沿(電晶體)調(diào)光器；專用于一種線路電壓(120 Vac或230 Vac)時，可切相調(diào)光來優(yōu)化EMI濾波器設(shè)計，降低X電容值，將峰值電流減至最小。
圖7：NCL30000高功率因子降壓方案應(yīng)用電路。
以下介紹的是基于NCL30000的兩個AC-DC隔離電源配置實(shí)例。
1) 支持熱反走的AC可調(diào)光A19 LED燈：輸入電壓為90至135 Vac，5 W額定輸出功率(10 V @ 500 mA)，可驅(qū)動3顆串聯(lián)LED；隔離式熱反走，溫度上升時線性減小輸出電流；功率因子>0.96，能效>77%；針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；相容TRIAC及電晶體調(diào)光器。
圖8：熱反走AC可調(diào)光A19 LED燈。
2) AC可調(diào)光PAR30 LED燈：可用于輸入電壓115 V/230 V的燈，11 W額定輸出功率(24.5 V @ 450 mA)，驅(qū)動串聯(lián)/3串并聯(lián)的8顆LED；隔離式；功率因子>0.96，能效>83%，針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；相容TRIAC及電晶體調(diào)光器。
圖9：AC可調(diào)光PAR30 LED燈。
用于中大功率AC-DC LED照明應(yīng)用的NCL30001方案
NCL30001功率因子校正(PFC)可調(diào)光LED驅(qū)動器適用于中大功率應(yīng)用(功率可達(dá)90 W)，如建筑物裝飾光。支援的調(diào)光有三種方式：1-10 V類比電壓輸入(1 V = 最小值，10 V為100%導(dǎo)通時的值)；兩級雙電平類比調(diào)光；以及PWM調(diào)光(調(diào)光頻率范圍350 Hz至3 kHz,調(diào)光范圍> 10:1)。保護(hù)特性包括：輸出開路及短路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過溫反走。
圖10：NCL30001用于建筑物裝飾光。
用于大功率建筑物裝飾光應(yīng)用的NCL30051方案
NCL30051是一款專用LED電源積體電路(IC)，能夠為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動器(如NCL30160)提供恒定電壓。此元件整合了一個臨界導(dǎo)電模式(CrM) PFC控制器及一個半橋諧振控制器，并內(nèi)置600 V驅(qū)動器，針對離線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具備了所有實(shí)現(xiàn)高能效、小外形因子設(shè)計所需的特性。NCL30051能夠用于功率達(dá)100 W的建筑物裝飾光應(yīng)用，在修改元件條件下，最大可以支援250 W功率。NCL30051支援的調(diào)光方式包括1-10 V類比電壓輸入(1 V = 最小值，10 V為100%導(dǎo)通時的值)、兩級雙電平類比調(diào)光，以及PWM調(diào)光(頻率范圍100至300 Hz，調(diào)光范圍>10:1)。保護(hù)特性包括：輸出開路及短路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)。
圖11：NCL30051用于大功率建筑物裝飾光。
此外，安森美半導(dǎo)體的GreenPoint®設(shè)計模擬工具，讓設(shè)計人員僅用幾個步驟即可完成選擇產(chǎn)品、確定設(shè)計要求、自動產(chǎn)生設(shè)計(電路圖)、模擬及驗證、物料單(BOM)及報告、下載報告為PDF文件、保存盤及分享等一系列流程，從而實(shí)現(xiàn)快速、易用、高效的LED產(chǎn)品開發(fā)。
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體利用在高能效電源及封裝方面的核心專長及優(yōu)勢，為LED照明應(yīng)用，特別是一般照明提供了符合各種規(guī)范要求控制和驅(qū)動元件。這些方案采用獨(dú)特的LED驅(qū)動電源架構(gòu)、類比及調(diào)光技術(shù)、返馳轉(zhuǎn)換器及非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配合廣泛的應(yīng)用范圍，為實(shí)現(xiàn)各種一般照明設(shè)備提供更多的選擇。