AC-DC電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)比較
對于低功率AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換而言,，可以選擇隔離型反激或非隔離降壓等不同拓撲結(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)設(shè)計及電路板配置簡單,、電路板尺寸小,、元件數(shù)量少、能效更高,，而隔離拓撲結(jié)構(gòu)易于滿足安規(guī)要求,，但磁學(xué)設(shè)計復(fù)雜，要求較大的電路板尺寸,。本文將聚集于隔離型拓撲結(jié)構(gòu)的AC-DC LED驅(qū)動器方案,。
LED驅(qū)動器應(yīng)用要求
對于LED通用照明應(yīng)用而言，目前成本還相對較高,，故高性比的LED驅(qū)動器無疑會更受青睞,。此外，LED驅(qū)動器也應(yīng)該具有高能效(低損耗),、高可靠性,、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量或功率因數(shù)(PF)等標(biāo)準(zhǔn)、靈活,、適應(yīng)寬環(huán)境條件,、可改造用于已有應(yīng)用、支持傳統(tǒng)控制方式工作(兼容傳統(tǒng)調(diào)光)等,。
其中,，就功率因數(shù)要求而言，美國“能源之星”項目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級),，適用于特定產(chǎn)品,，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈等,。該標(biāo)準(zhǔn)針對住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7,，針對商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9，而整體式LED燈泡的要求是輸入功率高于5 W的燈泡功率因數(shù)大于0.7,。當(dāng)然,，并非所有國家都絕對強制要求在照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,。例如,，公用事業(yè)機構(gòu)可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用。 
圖1：傳統(tǒng)兩段式架構(gòu)與改進的單段式架構(gòu)對比
提供高功率因數(shù)的NCL30000隔離型LED驅(qū)動器方案
要提供高功率因數(shù),，同時符合其它應(yīng)用要求,，就有必要使用高功率因數(shù)的電路架構(gòu),。這樣一來,，傳統(tǒng)的兩段式架構(gòu)(PFC升壓+脈寬調(diào)制(PWM)反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。有利的是,，諸如安森美半導(dǎo)體NCL30000功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動器采用單段式架構(gòu)(見圖1),，可以提供達0.9甚至更高的功率因數(shù),。這器件采用緊湊的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導(dǎo)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),，省下專門的DC-DC轉(zhuǎn)換電源段，幫助減少元器件數(shù)量,，降低系統(tǒng)總成本,。
NCL30000采用的恒定導(dǎo)通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應(yīng)用，因為控制原理簡單,，即使在低功率電平時,，也能夠提供極高能效。NCL30000工作溫度范圍為-40至+125℃,，確保能用于大多數(shù)LED通用照明應(yīng)用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍,。NCL30000擁有典型值24微安(µA)的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設(shè)計,。這器件也集成前沿消隱(LEB)電路,，防止故障觸發(fā)，還集成強固的故障處理能力,。
圖2：基于NCL30000的隔離型反激LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設(shè)計簡化框圖
配合TRIAC調(diào)光
除了要提供相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所要求的高能效及高功率因數(shù),，考慮特定的終端應(yīng)用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調(diào)控方法是三端雙向可控硅開關(guān)器件(TRIAC)調(diào)光,。但TRIAC調(diào)光器原本針對電阻型負載的白熾燈(白熾燈在電路中的作用就象是電阻),。因此，LED驅(qū)動器兼容TRIAC調(diào)光器也很重要,，這樣有利于用戶沿用已有壁式TRIAC調(diào)光器,，節(jié)省支出。
圖3：NCL30000調(diào)光性能演示(通過改變調(diào)光器位置來在350 mA至1.7 mA之間調(diào)光)
有利的是,，NCL30000兼容尾沿晶體管調(diào)光器及前沿TRIAC調(diào)光器,，能夠提供高于0.95的高功率因數(shù)，使輸入電流波形看上去像是電阻型負載的波形,，而這對兼容TRIAC調(diào)光器非常重要,，因為用示波器截取的波形顯示，優(yōu)化設(shè)計的NCL30000單段式CrM反激LED驅(qū)動器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相(參見圖3),。
演示板能效測試結(jié)果
安森美半導(dǎo)體基于NCL30000開發(fā)了目標(biāo)功率低于18 W,、支持4至15顆LED @ 350 mA且支持TRIAC調(diào)光(針對12顆LED進行預(yù)配置)的參考設(shè)計演示電路板。輸入電壓范圍為90至305 Vac的NCL30000演示電路板的能效測試結(jié)果顯示,，寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)達到或超過0.95(見左圖),，且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩(wěn)流效果和高能效(右圖)。
圖4：演示板測量能效結(jié)果(左圖：輸入電流THD及功率因數(shù),；右圖：負載穩(wěn)流及能效)
應(yīng)用示例
對于LED照明應(yīng)用而言,，燈泡替代是重要的應(yīng)用領(lǐng)域,，如拋物形滲鋁反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型燈替代(如A19)等,。但燈泡替代應(yīng)用存在獨特挑戰(zhàn),，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等,。安森美半導(dǎo)體相應(yīng)開發(fā)了一些燈泡替代參考設(shè)計,，介紹如何使用安森美半導(dǎo)體的驅(qū)動器方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
圖5：基于NCL30000的11 W LED PAR30燈泡改造示例,。
以PAR30燈泡替代應(yīng)用為例,，安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用注釋《11 W TRIAC可調(diào)光PAR30 LED燈泡驅(qū)動器》(AND8463/D)介紹了如何使用NCL30000單段式功率因數(shù)校正隔離型反激控制器來設(shè)計LED PAR30燈的完整電源轉(zhuǎn)換方案，用于驅(qū)動串聯(lián)-并聯(lián)配置的3串共24顆LED(每串8顆LED,，每串電流150 mA,，3串共450 mA)。這參考設(shè)計使用市場上購得的LED散熱片和E27 Edison底座,，有效處理散熱及尺寸受限問題,。此設(shè)計的目標(biāo)輸出功率為11 W，包含115 Vac版本(功率因數(shù)高于0.9,，輸入電流THD<20%)和230 Vac(遵從IEC61000-3-2規(guī)范)兩種版本,，LED電流穩(wěn)流精度達±5%，LED電壓范圍21至27 Vdc,，能效高于82%,，兼容TRIAC及電子低壓調(diào)光器調(diào)光，且遵從FCC B類導(dǎo)電型EMI標(biāo)準(zhǔn),。
PAR30燈泡是特定指向照明的一個示例?，F(xiàn)實中也存在許多全向照明應(yīng)用，如A型燈,。LED A型燈以標(biāo)準(zhǔn)A型燈尺寸來替代傳統(tǒng)A型白熾燈,，是商業(yè)及住宅照明應(yīng)用的極佳節(jié)能替代解決方案，不僅更環(huán)保,，而且更易于維護和替代,。傳統(tǒng)白熾燈存在不同功率等級，如40 W(光輸出約450 lm)或60 W(光輸出約600至800 lm),。如今一流的暖白光LED的光效處在100 lm/W范圍內(nèi),。考慮到熱效應(yīng)及光電轉(zhuǎn)換效率,，要提供450 lm光輸出,，大約需要5至7顆LED。安森美半導(dǎo)體目前正在開發(fā)應(yīng)用于LED A型燈的NCL30000 TRIAC可調(diào)光方案。
有利的是,，安森美半導(dǎo)體已經(jīng)基于臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正控制器NCP1607開發(fā)出了A19燈泡LED驅(qū)動器參考設(shè)計(見圖6),。這參考設(shè)計的輸入電壓范圍為90至265 Vac,，額定輸出功率約為6.4 W(16.5 @ 400 mA),，采用隔離型單段式設(shè)計，在輸入電壓范圍內(nèi)功率因數(shù)高于0.9,，能效高于80%,，符合IEC61000-3-2 C類諧波含量標(biāo)準(zhǔn)(輸入THD<15%)，遵從FCC B類導(dǎo)電型輻射標(biāo)準(zhǔn),，設(shè)計時就顧及到了符合UL8750安規(guī),，并符合“能源之星”針對整體式LED燈泡的1.1版規(guī)范要求。
圖6：基于NCP1607的高功率因數(shù)A19燈泡E26/E27驅(qū)動器方案,。
總結(jié)：
本文圍繞低功率AC-DC LED通用照明應(yīng)用,，著重分析了隔離型LED驅(qū)動器的應(yīng)用設(shè)計要求，介紹了安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的單段式隔離型高功率因數(shù)LED驅(qū)動器方案NCL30000,，分析了NCL30000如何配合相關(guān)要求,，如支持TRIAC調(diào)光、提供高能效,、恰當(dāng)散熱及符合相關(guān)能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),，并分享了安森美半導(dǎo)體已開發(fā)或正在開發(fā)的PAR30及A型LED燈泡替代參考設(shè)計，幫助設(shè)計工程師縮短設(shè)計周期,，加快產(chǎn)品上市,。