據(jù)國際能源署(IEA)估計(jì)，全球消耗的電能中有19%是用于照明,。因此,，近年來，世界各國紛紛致力于以更高能效的方案來替代低能效的白熾燈光源,。而隨著發(fā)光二極管(LED)在流明輸出及光效方面持續(xù)快速進(jìn)步,，同時(shí)，平均每流明光輸出的成本也在下降,，再結(jié)合LED在高指向性,、長壽命和低維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢(shì)，LED照明(也稱固態(tài)照明,，或SSL)成為一種極為引人注目的替代解決方案,。
　
針對(duì)固態(tài)照明的能效規(guī)范要求
　　為了促進(jìn)節(jié)能，世界各地的政府機(jī)構(gòu)或規(guī)范組織制定了不同LED照明規(guī)范,，主要體現(xiàn)在對(duì)功率因數(shù)(PF)的要求方面,。如歐盟的國際電工聯(lián)盟(IEC)規(guī)定了功率大于25 W照明應(yīng)用的總諧波失真性能，某些地區(qū)的其它國際標(biāo)準(zhǔn)也適用這規(guī)定,。
　
　　另外,，美國能源部制定及發(fā)布了針對(duì)固態(tài)照明燈具的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)自愿性標(biāo)準(zhǔn)包含針對(duì)常見住宅和商業(yè)照明燈具(如嵌燈,、櫥柜燈和臺(tái)燈)的系列要求,，涵蓋最低流明輸出、總體光效,、可靠性目標(biāo),、光色溫及一系列其它關(guān)鍵系統(tǒng)級(jí)要求。值得注意的是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中并不直接包含電源能效要求,，但包含功率因數(shù)要求,，即不論是何種功率等級(jí)，住宅應(yīng)用要求的PF大于0.7,，商業(yè)應(yīng)用要求的PF大于0.9,，而集成LED燈光的要求是PF大于0.7。
　
　　當(dāng)然,，并非所有國家都絕對(duì)強(qiáng)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(jī)構(gòu)可能大力推動(dòng)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,。此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有/維護(hù)街燈時(shí),，他們可以根據(jù)自己的意愿，來決定是否要求產(chǎn)品擁有高功率因數(shù)(通常大于0.95+),。
　
13 W LED嵌燈設(shè)計(jì)示例
　　1)參照代用標(biāo)準(zhǔn)確立最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)
　　以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標(biāo)準(zhǔn)為例,，這標(biāo)準(zhǔn)包含決定燈具光效的總體性要求；實(shí)際上,，這標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn),，涉及所選LED、現(xiàn)場(chǎng)工作溫度,、光學(xué)組件,、驅(qū)動(dòng)器電源轉(zhuǎn)換能效等。燈具開發(fā)人員因而可以在LED的選擇,、光學(xué)組件的使用,、熱管理方案、驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方面折衷取舍,，從而符合整體要求,。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)應(yīng)用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對(duì)嵌燈的關(guān)鍵系統(tǒng)要求。

表1：“能源之星”1.1版住宅及商業(yè)固態(tài)照明規(guī)范之嵌燈關(guān)鍵要求,。
 

　　最常見的嵌燈是較大孔徑類嵌燈,。對(duì)于住宅及商業(yè)應(yīng)用而言，除了功率因數(shù)方面的差別,，設(shè)計(jì)人員能夠靈活地使用中性及暖白光LED,。從表1中的最低要求可以看出，要獲得575流明的最低輸出,，最大輸入功率閾值約為16.4 W,。
　
　　由于沒有直接適用的LED驅(qū)動(dòng)器能效標(biāo)準(zhǔn)，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標(biāo)準(zhǔn)作為代用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn),，額定功率在1到49 W之間的標(biāo)準(zhǔn)電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622,。因此，符合這標(biāo)準(zhǔn)的12 W額定功率電源的最低能效為77.7%,，15 W電源則為79.1%,。由于LED燈具標(biāo)準(zhǔn)基于輸入插座能效，有必要將驅(qū)動(dòng)器能效目標(biāo)轉(zhuǎn)換為有效的LED負(fù)載,。為了增加一些設(shè)計(jì)裕量,，我們將最低目標(biāo)能效定為80%。這樣一來,，LED負(fù)載就為16.4 W×80%,，即13.1 W。
　
　　這樣,，我們就確定了最大負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo),。LED光效受制于LED制造商以及驅(qū)動(dòng)電流和工作溫度。安森美半導(dǎo)體這GreenPoint®參考設(shè)計(jì)選擇的是350 mA的恒定電流,，支持市場(chǎng)上大多數(shù)高亮度功率LED,。另一個(gè)要顧及的因素是燈具開發(fā)人員可以選擇寬范圍的LED，所選LED的光效越高,，要求采用的LED數(shù)量就越少,。因此，這GreenPoint®參考設(shè)計(jì)在50%至100%額定負(fù)載時(shí)的能效應(yīng)當(dāng)較高,。隨著LED光效的提升,，可以輕易修改同一個(gè)基本電源設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)更少的LED，從而提供遠(yuǎn)高于最低要求的燈具光效,。
　
　　2)其它設(shè)計(jì)要求
　　確定了基本設(shè)計(jì)要求,，就需要考慮與終端應(yīng)用需求有關(guān)的其它系統(tǒng)因素。例如,，雖然標(biāo)準(zhǔn)中并無要求,，但兼容已有線路調(diào)光方案很重要。因此,，應(yīng)當(dāng)針對(duì)三端雙向可控硅開關(guān)器件(TRIAC)壁式調(diào)光器來優(yōu)化設(shè)計(jì),。TRIAC調(diào)光的挑戰(zhàn)不少，但有一項(xiàng)因素設(shè)計(jì)人員可能容易忽略,，就是驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動(dòng)及工作,。而且，驅(qū)動(dòng)電源的尺寸應(yīng)當(dāng)匹配嵌燈燈具接線盒,。還應(yīng)該注意一項(xiàng)人的因素要求,。雖然LED實(shí)際上在瞬間之間就發(fā)光,，但驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要留出特定的啟動(dòng)時(shí)間。不管是什么LED燈具,，這方面的表現(xiàn)都應(yīng)該不比CFL差,，甚至應(yīng)該更好。所以,，我們可以把CFL作為參照基準(zhǔn),。“能源之星”CFL燈泡要求中，額定條件下最大啟動(dòng)時(shí)間為1秒,，因此,，我們將就LED驅(qū)動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)間方面的設(shè)計(jì)目標(biāo)定在0.5秒。由于這個(gè)設(shè)計(jì)面向住宅或商業(yè)應(yīng)用,，因此我們定下的規(guī)格目標(biāo)更具挑戰(zhàn)性,。表2總結(jié)了本GreenPoint®參考設(shè)計(jì)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2：關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo),。

　　3)設(shè)計(jì)途徑：采用單段式方案提供高功率因數(shù)
　　要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù),、電源能效目標(biāo)及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。由于功率目標(biāo)較低,，傳統(tǒng)的兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求了。因此,，我們使用了基于安森美半導(dǎo)體NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　
　　單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)省下專用的PFC升壓段,，幫助減少元器件數(shù)量,，降低系統(tǒng)總成本。但采用單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，系統(tǒng)也會(huì)受到一些影響,，如無初級(jí)高壓能量存儲(chǔ)，輸出電壓保持時(shí)間較短,。另外,，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來滿足維持要求,，及對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載反應(yīng)較慢等,。有利的是，這對(duì)眾多LED照明應(yīng)用而言不構(gòu)成問題,，因?yàn)長ED照明應(yīng)用無系統(tǒng)維持時(shí)間要求,，而且紋波匯入平均光輸出，人眼不會(huì)察覺,。
　
　　設(shè)計(jì)針對(duì)高功率因數(shù)(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求,，并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形,。這對(duì)兼容TRIAC調(diào)光非常重要，因?yàn)門RIAC調(diào)光器原本用于白熾燈,，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻,，即充當(dāng)電阻型負(fù)載。用示波器截取的波形顯示,，優(yōu)化設(shè)計(jì)的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相,。
　
　　圖1顯示的是安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。從圖1中可以看出,，隔離反激的次級(jí)端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊,。這模塊有兩個(gè)主要功能，一是緊密穩(wěn)流350 mA的恒定電流,，并為初級(jí)端提供反饋,，用于調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)流經(jīng)LED的恒定電流進(jìn)行穩(wěn)流,；二是在發(fā)生開路事件時(shí),，進(jìn)入恒壓控制模式，在故障事件下產(chǎn)生穩(wěn)壓固定電壓,。開路電壓穩(wěn)壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制,。此外，無意中碰到輸出短路時(shí),，還能限制功率,，避免損壞LED。
　
　　這GreenPoint®參考設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程參見安森美半導(dǎo)體另行提供的NCL3000數(shù)據(jù)表及兩篇設(shè)計(jì)筆記,，參見參考資料[2]至[5],。
 

圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)簡化框圖。
 

　　4)測(cè)試結(jié)果
　　測(cè)試結(jié)果顯示,，這參考設(shè)計(jì)的性能超過了表2中所列的全部設(shè)計(jì)目標(biāo),，參見圖2(詳見參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)和輸入電流總諧波失真,，可以看出這參考設(shè)計(jì)的功率因數(shù)很高(超過商業(yè)照明0.9的最低功率因數(shù)要求),，總諧波失真低(<20%)。圖3顯示了不同負(fù)載條件下的LED能效,。將25%,、50%、75%和100%四個(gè)工作點(diǎn)下的能效作平均計(jì)算,，可得出總平均能效為80.7%,；而在50%至100%負(fù)載的關(guān)鍵工作區(qū)域，能效范圍為81.1%至82%,。這不僅超越本參考設(shè)計(jì)定下的80%能效目標(biāo),，還超過了EPS 2.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)15 W電源79.1%的能效要求,。損耗來源中包含輸入EMI段支持TRIAC調(diào)光所需的15歐姆限流電阻的能耗。

圖2：90至135 Vac輸入線路電壓條件下的功率因數(shù)和總諧波失真,。

圖3：輸入電壓為115 Vac時(shí)不同負(fù)載條件下的能效,。

　
總結(jié)：
　　要設(shè)計(jì)滿足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線LED驅(qū)動(dòng)器存在不少挑戰(zhàn)。本參考設(shè)計(jì)文檔顯示,，安森美半導(dǎo)體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)達(dá)到了所有關(guān)鍵性能指標(biāo),，如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應(yīng)用固態(tài)照明功率因數(shù)要求，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關(guān)鍵負(fù)載條件下的能效要求,。這參考設(shè)計(jì)還為系統(tǒng)開發(fā)人員提供靈活性,，使他們能夠升高或降低功率，滿足不同功率應(yīng)用的要求,。這種途徑讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活應(yīng)對(duì)LED光效提升,，便于他們?cè)O(shè)計(jì)LED數(shù)量更少但仍提供預(yù)期光輸出的燈具。
　
供稿：安森美半導(dǎo)體
　　
參考資料：
　　1,、《離線高功率因數(shù)TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)》,，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.com/pub/Collateral/TND398-D.PDF
　　2,、《NCL30000數(shù)據(jù)手冊(cè)》,，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.com/pub/Collateral/NCL30000-D.PDF
　　3,、《配置NCL30000用于TRIAC調(diào)光》,，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8448-D.PDF
　　4,、《NCL30000單段CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器電源段設(shè)計(jì)指引》,，安森美半導(dǎo)體，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8451-D.PDF
　　5,、《NCL30000評(píng)估板手冊(cè)》，安森美半導(dǎo)體,，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCL3000LED2GEVB-D.PDF
　　6,、“能源之星”1.1版固態(tài)照明要求，www.energystar.gov/index.cfm?c=new_specs.ssl_luminaires