采用NCL30000的單段式CrM TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器設計

為了促進節(jié)能,，世界各地的政府機構(gòu)或規(guī)范組織制定了不同LED照明規(guī)范，主要體現(xiàn)在對功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">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照明應用的總諧波失真性能,，某些地區(qū)的其它國際標準也適用這規(guī)定。

另外,，美國能源部制定及發(fā)布了針對固態(tài)照明燈具的“能源之星" title="能源之星">能源之星”標準,。這項自愿性標準包含針對常見住宅和商業(yè)照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺燈)的系列要求,，涵蓋最低流明輸出,、總體光效" title="光效">光效、可靠性目標,、光色溫及一系列其它關鍵系統(tǒng)級要求,。值得注意的是，這個標準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，住宅應用要求的PF大于0.7,，商業(yè)應用要求的PF大于0.9,，而集成LED燈光的要求是PF大于0.7。

當然,，并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數(shù),，但某些應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" title="高功率">高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設施中的商業(yè)應用,。此外，公用事業(yè)機構(gòu)擁有/維護街燈時,，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+)。

1)參照代用標準確立最大負載設計目標

以“能源之星”的固態(tài)照明燈具標準為例,，這標準包含決定燈具光效的總體性要求,；實際上，這標準是一個系統(tǒng)級標準,，涉及所選LED,、現(xiàn)場工作溫度、光學組件,、驅(qū)動器電源轉(zhuǎn)換能效等,。燈具開發(fā)人員因而可以在LED的選擇、光學組件的使用,、熱管理方案,、驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)及設計方面折衷取舍,，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)應用固態(tài)照明規(guī)范1.1版對嵌燈的關鍵系統(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)范之嵌燈關鍵要求

最常見的嵌燈是較大孔徑類嵌燈,。對于住宅及商業(yè)應用而言，除了功率因數(shù)方面的差別,，設計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)動器能效標準，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標準作為代用標準,。根據(jù)EPS 2.0標準，額定功率在1到49 W之間的標準電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622,。因此,，符合這標準的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燈具標準基于輸入插座能效,，有必要將驅(qū)動器能效目標轉(zhuǎn)換為有效的LED負載。為了增加一些設計裕量,，我們將最低目標能效定為80%,。這樣一來，LED負載就為16.4 W×80%,，即13.1 W,。

這樣，我們就確定了最大負載設計目標,。LED光效受制于LED制造商以及驅(qū)動電流和工作溫度,。安森美半導體這GreenPoint®參考設計選擇的是350 mA的恒定電流，支持市場上大多數(shù)高亮度功率LED,。另一個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®參考設計在50%至100%額定負載時的能效應當較高。隨著LED光效的提升,，可以輕易修改同一個基本電源設計來驅(qū)動更少的LED,，從而提供遠高于最低要求的燈具光效。

2)其它設計要求

確定了基本設計要求,，就需要考慮與終端應用需求有關的其它系統(tǒng)因素,。例如,，雖然標準中并無要求，但兼容已有線路調(diào)光方案很重要,。因此,，應當針對三端雙向可控硅開關器件(TRIAC)壁式調(diào)光器來優(yōu)化設計。TRIAC調(diào)光的挑戰(zhàn)不少,，但有一項因素設計人員可能容易忽略,，就是驅(qū)動器應當能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動及工作。而且,，驅(qū)動電源的尺寸應當匹配嵌燈燈具接線盒,。還應該注意一項人的因素要求。雖然LED實際上在瞬間之間就發(fā)光,，但驅(qū)動器的設計要留出特定的啟動時間,。不管是什么LED燈具，這方面的表現(xiàn)都應該不比CFL差,，甚至應該更好,。所以，我們可以把CFL作為參照基準,。“能源之星”CFL燈泡要求中,，額定條件下最大啟動時間為1秒，因此,，我們將就LED驅(qū)動器在啟動時間方面的設計目標定在0.5秒,。由于這個設計面向住宅或商業(yè)應用，因此我們定下的規(guī)格目標更具挑戰(zhàn)性,。表2總結(jié)了本GreenPoint®參考設計關鍵的設計目標,。
 
表2：關鍵設計目標

3)設計途徑：采用單段式方案提供高功率因數(shù)

要實現(xiàn)高功率因數(shù)、電源能效目標及緊湊的尺寸,，有必要使用高功率因數(shù)的單段式拓撲結(jié)構(gòu),。由于功率目標較低，傳統(tǒng)的兩段式拓撲結(jié)構(gòu)(PFC升壓+反激" title="反激">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體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓撲結(jié)構(gòu)。

單段式拓撲結(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。但采用單段式拓撲結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)也會受到一些影響,，如無初級高壓能量存儲，輸出電壓保持時間較短,。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，及對動態(tài)負載反應較慢等,。有利的是,，這對眾多LED照明應用而言不構(gòu)成問題，因為LED照明應用無系統(tǒng)維持時間要求,，而且紋波匯入平均光輸出,，人眼不會察覺。

設計針對高功率因數(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,。這對兼容TRIAC調(diào)光非常重要，因為TRIAC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,，即充當電阻型負載。用示波器截取的波形顯示,，優(yōu)化設計的單段式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體基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓撲結(jié)構(gòu)的簡化功能框圖。從圖1中可以看出,，隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊,。這模塊有兩個主要功能,，一是緊密穩(wěn)流350 mA的恒定電流,，并為初級端提供反饋，用于調(diào)節(jié)導通時間,，對流經(jīng)LED的恒定電流進行穩(wěn)流,；二是在發(fā)生開路事件時，進入恒壓控制模式,，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,，還能限制功率，避免損壞LED,。
 
圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設計簡化框圖

4)測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示,，這參考設計的性能超過了表2中所列的全部設計目標，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,，可以看出這參考設計的功率因數(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顯示了不同負載條件下的LED能效,。將25%,、50%、75%和100%四個工作點下的能效作平均計算,，可得出總平均能效為80.7%,；而在50%至100%負載的關鍵工作區(qū)域，能效范圍為81.1%至82%,。這不僅超越本參考設計定下的80%能效目標,，還超過了EPS 2.0標準對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時不同負載條件下的能效

總結(jié)：

要設計滿足下一代固態(tài)照明產(chǎn)品所有要求的離線LED驅(qū)動器存在不少挑戰(zhàn),。本參考設計文檔顯示，安森美半導體基于NCL30000的單段式CrM
TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設計達到了所有關鍵性能指標,，如“能源之星”1.1版商業(yè)及住宅應用固態(tài)照明功率因數(shù)要求,，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關鍵負載條件下的能效要求。這參考設計還為系統(tǒng)開發(fā)人員提供靈活性,，使他們能夠升高或降低功率,，滿足不同功率應用的要求。這種途徑讓設計人員能夠靈活應對LED光效提升,，便于他們設計LED數(shù)量更少但仍提供預期光輸出的燈具,。