安森美半導體AC-DC非隔離高功率因數(shù)LED驅(qū)動方案

采用交流-直流(AC-DC)電源供電的LED通用照明應(yīng)用中，常見隔離拓撲結(jié)構(gòu)與非隔離拓撲結(jié)構(gòu)。所謂“隔離”，是指輸入與輸出之間采用變壓器等進行電氣隔離。這兩種拓撲結(jié)構(gòu)各有其特點。相比較而言，非隔離拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢包括磁性元件尺寸更小、能效更高、元件數(shù)量更少、總物料單成本更低，以及能以機械設(shè)計滿足安規(guī)等。安森美半導體提供多種非隔離高功率因數(shù)LED驅(qū)動方案，不僅可提供更高的能效，而且設(shè)計緊湊，適合不同的中低功率LED通用照明應(yīng)用，如線性熒光燈替代和大功率嵌燈及聚光燈等。

常見降壓非隔離應(yīng)用應(yīng)用LED驅(qū)動器方案

在MR16燈泡、12 V景觀照明、太陽能供電LED照明及廣告牌文字電路和標志背光等應(yīng)用中，可以采用靈活的降壓驅(qū)動器NCL30160。這器件是針對單電壓輸入的高能效、峰值電流控制降壓控制器，為MR16 LED燈泡等空間受限且講究高能效的應(yīng)用提供極佳方案。但嚴格地說，NCL30160是一款DC-DC非降壓隔離驅(qū)動器方案。

在G13、GU10、PAR16、PAR20及嵌燈等1至8 W低功率LED照明應(yīng)用方面，可以采用安森美半導體的NCP1015自供電單片開關(guān)控制IC。這器件集成了700V高壓MOSFET，采用PDIP-7或SOT-223封裝，提供構(gòu)建強固、低成本的AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換方案所需的全部特性。這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案，用于滿足不同應(yīng)用要求。其中，基于NCP1015的非隔離方案采用抽頭電感來隔離交流信號，提高MOSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能可以通過減小電容或是谷底填充電路來實現(xiàn)功率因數(shù)大于0.7的要求。

在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問題。如美國“能源之星”項目固態(tài)照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級)，即針對住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導體的NCP1607臨界導電模式(CrM)方案這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案，

支持調(diào)光的高功率因數(shù)非隔離LED器方案

一些AC-DC非隔離LED照明應(yīng)用既要求高功率因數(shù)，又要求支持調(diào)光，如模擬、數(shù)字(PWM)或三端雙向可控硅開關(guān)器件(TRIAC)調(diào)光等。在這些應(yīng)用中，客戶可以采用安森美半導體的NCL30000功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動器，或是LV5026/29系列高功率因數(shù)可調(diào)光LED驅(qū)動器。

一、NCL30000/2非隔離可調(diào)光高功率因數(shù)LED驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

NCL30000是用于住宅及商業(yè)照明等LED照明應(yīng)用的功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動器。NCL30000/2采用緊湊型的８引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓撲結(jié)構(gòu)提供大于0.95的高功率因數(shù)，因而省卻直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換段。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關(guān)組件(TRIAC)可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電源。這器件與前沿TRIAC調(diào)光器和尾沿晶體管調(diào)光器兼容。視乎所使用的調(diào)光器，LED輸出可調(diào)低至2%。

NCL30000采用恒定導通時間CrM工作，非常適合于隔離型反激應(yīng)用，但也可以配置為非隔離型高功率因數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)。而在非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)下，NCL30002在-40至125℃工作溫度條件下有較高電流精度(<±3.1%)，包含降壓及降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)等不同選擇，下文將進行比較。

1)     NCL30000非隔離降壓及降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)對比

從拓撲結(jié)構(gòu)來講，降壓拓撲結(jié)構(gòu)的不足是輸入電流波形取決于輸出電壓。在這種配置下，由于電感與LED串采用串聯(lián)配置，僅在輸入電壓超過LED正向壓降(VF)時有電流流過；CrM及恒定導通時間工作可提供高功率因數(shù)；直接感測LED電流；低環(huán)路帶寬支持高功率因數(shù)工作；MOSFET電流等于LED峰值電流；MOSFET電壓應(yīng)力等于峰值主電源電壓；功率因數(shù)(PF)及總諧波失真(THD%)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，THD越高。

圖1：降壓及降壓-升壓配置比較[!--empirenews.page--]

相比較而言，降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的輸入電流波形跟負載無關(guān)，具有高功率因數(shù)、良好的總諧波失真性能。降壓-升壓配置下，電感與LED串并未串聯(lián)，輸入電流波形或失真與輸出壓降(VF)無關(guān)；固有的LED故障保護功能可在MOSFET短路時提供保護；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)。

2) 基于NCL30000的非隔離降壓-升壓LED驅(qū)動器方案

本文將重點探討降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的NCL30000非隔離型LED驅(qū)動器方案。

圖2：NCL30000非隔離降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)電路圖

如圖2所示，在NCL30000非隔離降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，LED平均電流被穩(wěn)流，可穩(wěn)定線路電壓變化和負載變化；可實現(xiàn)LED開路及短路保護；如果FET短路，LED仍然安全。

NCL30000降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理包括：

·直接感測LED電流，提供真正的平均模式反饋?？梢栽趯扡ED電壓范圍內(nèi)維持緊密的穩(wěn)流；感測電阻(R9)的阻值很小，可提升能效至最高；匹配的晶體管對(Q1)產(chǎn)生與LED電流成正比的電流。

·分級電平轉(zhuǎn)換晶體管(Q2)將正比例電流耦合至低邊控制器；省去了光耦；第二個分級晶體管(Q5)用于“高輸入+輸出”電壓的方案。

·端接電阻(R14)將正比例電流轉(zhuǎn)換為電壓；將電壓用作提供給控制器的反饋信號；在LED平均電流處關(guān)閉反饋環(huán)路。

·低環(huán)路帶寬提供高功率因數(shù)。[!--empirenews.page--]

3)     基于NCL30000的T8燈管LED驅(qū)動器演示板

安森美半導體為采用NCL30000的T8燈管LED驅(qū)動器提供了高PF演示板，用來替代常見的線性熒光燈管。25 W設(shè)計示例在350 mA電流時的電壓為72 V，主電源電壓范圍的能效高于88%，典型功率因數(shù)高于0.96，尺寸為18 mm x 200 mm (總高度19 mm)。

圖3：基于NCL30000的非隔離降壓-升壓T8燈管驅(qū)動器演示板

該演示板具有諸多特性：控制器以交流整流回路電壓為參考，可降低系統(tǒng)噪聲；LED以交流整流電壓為參考，可減少產(chǎn)生的EMI；直接感測LED電流實現(xiàn)真正的平均模式控制；在寬LED電壓范圍內(nèi)維持緊密穩(wěn)壓；恒定導通時間提供高功率因數(shù)及低總諧波失真；使用偏置繞組提供負載開路保護；熱反走，帶自動恢復(fù)；監(jiān)控LED電流，提供短路保護；感測FET電流，用于故障保護。

25 W T8燈管LED驅(qū)動器設(shè)計示例的設(shè)計要求包括：輸入電壓范圍為90至305 Vac；為LED提供350 mA恒定電流；LED串最大電壓為71.4 V；LED串最小電壓為55 V；最小交流主電壓的峰值時開關(guān)頻率為70 kHz；能效約為90%。

圖4：NCL30000降壓-升壓非隔離LED驅(qū)動器演示板性能測試結(jié)果

4)     基于NCL30000的TRIAC可調(diào)光高功率因數(shù)GU10 LED驅(qū)動器方案

對上述方案進行一些必要的修改，還可配合TRIAC調(diào)光。修改措施包括：在偏置練級上增加更多匝數(shù)、增加偏置穩(wěn)壓器用于寬范圍調(diào)光、可選加速調(diào)光電路以優(yōu)化調(diào)光響應(yīng)、優(yōu)化EMI濾波器以適應(yīng)TRIAC導通時的大階躍電壓等。

修改后方案的電源規(guī)范摘要包括：輸入電壓100至130 Vac；3個LED的輸出為470 mA；額定輸出功率約4.7 W；非隔離設(shè)計TRIAC調(diào)光；功率因數(shù)校正> 0.85；100至130 Vac的能效>82％。[!--empirenews.page--]

二、LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅(qū)動器方案

除了NCL30000，客戶也可以采用安森美半導體成員公司三洋半導體的LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅(qū)動器，并根據(jù)實際調(diào)光要求，選擇適合的產(chǎn)品。例如，若需要同時支持TRIAC調(diào)光、PWM調(diào)光及模擬調(diào)光，則應(yīng)選擇LV5026M；若只需要支持PWM及模擬調(diào)光，則可選擇LV5029MC。

以非隔離可調(diào)光高功率因數(shù)LED驅(qū)動器LV5026MD為例，它可驅(qū)動大功率場效應(yīng)管電路，采用步進控制方式，具有頻率振蕩、基準電壓外部調(diào)整、兼容數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光、內(nèi)置軟啟動、過電流保護、過熱保護、過電壓保護電路等特性。電路圖如圖6所示。

圖6：采用LV5026MD的非隔離降壓LED驅(qū)動器

使用LV5026MD的LED照明驅(qū)動電路時，改變電路構(gòu)成可以提高功率因數(shù)。對應(yīng)方法包括：減小AC電壓平滑用電容器，擴大AC電流的導通角；控制功率場效應(yīng)管中流的電流同輸入的AC電壓成比例。

總結(jié)

NCL30000和LV5026MD均支持隔離及非隔離拓撲結(jié)構(gòu)，可以提供更高的能效，在主電源輸入電壓及LED負載范圍內(nèi)提供緊密的LED穩(wěn)流；同時，具有高功率因數(shù)和低THD特性，可以優(yōu)化切相調(diào)光器應(yīng)用。安森美半導體提供的寬范圍的LED驅(qū)動器方案，配以相關(guān)工具及支持，有助于實現(xiàn)緊湊設(shè)計，適合不同的中低功率LED照明應(yīng)用，同時幫助客戶加快產(chǎn)品上市。