应对LED通用照明挑战的AC-DC LED驱动解决方案

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应对LED通用照明挑战的AC-DC LED驱动解决方案

LED通用照明设计工程师会遇到许多挑战,如功率密度、功率因数校正(PFC)、空间受限和可靠性等。这些LED照明设计挑战和电源设计挑战类似,都必须认真对待。具体讲,LED通用照明挑战体现在以下几个方面:由于总光效要求及散热限制的影响,即使是低功率应用能效也很重要;在许多情况下,较低功率也要求功率因数校正和谐波处理;在空间受限应用中,特别是替代灯泡应用时,对驱动功率密度的要求很高;总体电源可靠性对提高整个灯的寿命非常重要;宽输入电源电压范围应该支持高达277 Vac;兼容TRIAC调光等传统特定照明要求。另外,LED通用照明还要符合仍在演进的标准及安全规范,如美国“能源之星”和欧盟的国际电工委员会(IEC)要求。

安森美半导体一直致力于为LED照明提供丰富的解决方案,推出各种符合最新LED照明标准的产品,特别是用于LED照明的AC-DC电源方案及相关电路可以帮助工程师应对上述挑战,设计出满足通用照明要求的产品。

安森美半导体LED照明方案概览

图1显示了安森美半导体所提供的完整LED照明方案,包括整流器、MOSFET、模拟等部分,涵盖AC-DC电源IC、DC-DC驱动器、CCR稳流器、恒流恒压(CCCV)控制、高压FET、整流器、数字接口、环境光传感器、保护器件、电力线通信(PLC)调制解调器等。

图1:安森美半导体LED照明方案应用示意图

在安森美半导体用于LED照明的AC-DC电源方案中,1至10 W的照明应用中推荐使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,这些方案集成了

MOS管,适用于隔离和非隔离应用,支持次级PWM调光、模拟调光或双亮度等级调光,能效高达75-80%;1至30 W的应用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔离方案,典型能效85%左右;1至40 W推荐使用NCL30000,可进行初级可控硅调光,适用于隔离和非隔离方案,隔离方案能效80-85%。40至150 W推荐使用NCL30001,它是一个连续导电模式(CCM)控制芯片,隔离方案的典型能效85-90%;更大功率推荐使用NCL30051。图2是这些方案输出功率与能效的对比。以下将具体介绍这些方案的功能和特点。

图2:LED照明的AC-DC电源方案输出功率与效率的对比。

针对1至30 W功率AC-DC应用的V5026/27/28系列LED控制器该系列包括LV5026M、LV5028TT和LV5027T,其中LV5026M具有TRIAC 调光、PWM调光、模拟调光和功率因数校正功能;LV5028TT只有TRIAC调光和功率因数校正功能。LV5026/7/8 TRIAC调光电路如图3所示。

图3:LV5026/7/8 TRIAC调光电路。

以功能最多的LV5026M为例,它是兼容不同调光的高压LED控制器,调光方式为TRIAC、模拟输入或PWM输入,可选择开关频率(50kHz,开路70kHz)。该方案是一个低噪声开关系统,采用5段跳跃模式频率,可阶跃驱动开关;其参考电压可以选择(内部0.605 V及外部输入电压),具有软启动功能和TRIAC稳定功能。

旨在降低电磁干扰(EMI)的PWM控制架构具有优于竞争产品的特性。它采用2阶跃驱动,可显著减少噪声;非恒定周期的5个级别频率可有效消除EMI 峰值。

低功率AC-DC LED电源转换有两种方式,一种是非隔离降压,要求机械式绝缘;其设计及电路配置简单,电路板尺寸小,元件数量少,能效较高,物料单(BOM)成本也更低。另一种是隔离反激,采用电气(磁)隔离,易于满足安全要求,磁学设计较复杂,适合较高功率的设计,需要较大的电路板尺寸。

LV5026/7/8用于非隔离A19 LED灯,可实现以下产品特性:采用阶跃门驱动方法,具有振荡频率回转功能、高门能力驱动电路、可外部调节参考电压、支持多种调光器(TRIAC调光、数字调光和模拟调光);此外还支持软启动、过流保护、热关闭、过压保护等。LV5027M/LV5028M是LV5026M的简化版本,外部元件数量更少。

图4:LV5026/7/8用于非隔离A19 LED灯。

针对要求高能效及空间受限应用的低功率降压方案NCL30100

NCL30100是一款高能效、峰值电流控制自适应固定关闭时间降压控制器,可用于空间及高能效至关重要的低功率及空间受限的应用,如MR16 LED灯等。该方案具有振荡频率可调节特性,采用连续导电模式(CCM),可以省去输出电容,能效更高,并提供自然的LED开路保护。使用NCL30100可利用负电流感测,用小型电感降低功率损耗,实现低成本、高能效(100Vac Vo=36 V,能效>90%)及元件数量少的应用。

图5:单电压输入降压方案NCL30100。

低功率离线降压方案NCP1015

NCP1015单片开关电源IC能满足交流85-265 Vac宽电压输入范围,适合输出功率在10 W以内低功率离线降压LED照明设计。这器件提供丰富特性,如软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定及动态自供电(DSS)等,不仅提升能效,还增强可靠性。在C8和IC的第1脚间加一个电阻可以提高能效,适合小电流、高电压输出。

图6:NCP1015降压方案。

适合降压及降压-升压两种配置的中低功率AC-DC方案NCL30000 采用NCL30000的“平均电流稳流”拓扑结构可以选择两种配置,一种是降压配置(包含抽头电感降压配置)。其电感与LED串串联,仅在输入电压大于输出压降时有电流流动;功率因数(PF)及输入电流总谐波失真(THDi%)性能取决于输出压降与输入电压之比(VF/Vin),比例越高,PF越低,比例越高,THDi越高。

另一种是降压-升压配置,电感没有与LED串串联,输入电流波形或失真与输出压降无关;固有的LED故障保护功能在MOSFET短路时提供保护;LED 正向压降可以高于或低于输入电压;MOSFET开关电压应力为输入电压与输出压降之和(Vin+Vout)。

降压拓扑结构工作原理是,仅在输入电压超过LED正向压降(VF)时有电流流过;利用临界导电模式(CrM)及恒定导通时间工作提供高功率因数;可直接感测LED电流;低环路带宽支持高功率因数工作;MOSFET电流等于LED峰值电流;MOSFET电压应力等于峰值线路电压。

图7是NCL30000高功率因数降压方案应用电路,需要线路可调光时,可根据线路及负载功率调节最大导通时间;兼容TRIAC或尾沿(晶体管)调光器;专用于一种线路电压(120 Vac或230 Vac)时,可切相调光来优化EMI滤波器设计,降低X电容值,将峰值电流减至最小。

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