中心議題:
- 應(yīng)對LED通用照明挑戰(zhàn)的AC-DC LED驅(qū)動解決方案
解決方案:
- 針對1至30 W功率AC-DC應(yīng)用的LV5026/27/28系列LED控制器
- 針對要求高能效及空間受限應(yīng)用的低功率降壓方案NCL30100
- 低功率離線降壓方案NCP1015
- 適合降壓及降壓-升壓兩種配置的中低功率AC-DC方案NCL30000
- 用于中大功率AC-DC LED照明應(yīng)用的NCL30001方案
- 用于大功率建筑物裝飾光應(yīng)用的NCL30051方案
LED通用照明設(shè)計工程師會遇到許多挑戰(zhàn),如功率密度、功率因數(shù)校正(PFC)、空間受限和可靠性等。這些LED照明設(shè)計挑戰(zhàn)和電源設(shè)計挑戰(zhàn)類似,具體講,LED通用照明有以下幾個挑戰(zhàn):由于總光效要求及散熱限制的影響,即使是低功率應(yīng)用能效也很重要;在許多情況下,較低功率也要求功率因數(shù)校正和諧波處理;在空間受限應(yīng)用中,特別是替代燈泡應(yīng)用時,對驅(qū)動功率密度的要求很高;總體電源可靠性對提高整個燈的壽命非常重要;寬輸入電源電壓范圍應(yīng)該支持高達(dá)277 Vac;兼容TRIAC調(diào)光等傳統(tǒng)特定照明要求。另外,LED通用照明還要符合仍在演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范,如美國“能源之星”和歐盟的國際電工委員會(IEC)要求。
安森美半導(dǎo)體一直致力于為LED照明提供豐富的解決方案,推出各種符合最新LED照明標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,包括AC-DC電源IC,DC-DC驅(qū)動器,CCR穩(wěn)流器,恒流恒壓(CCCV)控制,高壓FET, 整流器,數(shù)字接口,環(huán)境光傳感器,保護(hù),電力線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器等等。本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源方案及相關(guān)電路,幫助工程師應(yīng)對上述挑戰(zhàn),設(shè)計出滿足通用照明要求的產(chǎn)品。
安森美半導(dǎo)體LED照明方案
圖1顯示了安森美半導(dǎo)體所提供的完備LED照明方案。
圖1:安森美半導(dǎo)體LED照明方案應(yīng)用示意圖
在安森美半導(dǎo)體用于LED照明的AC-DC電源方案中,1至10 W的照明應(yīng)用中推薦使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,這些方案集成了MOS管,適用于隔離和非隔離應(yīng)用,支持次級PWM調(diào)光、模擬調(diào)光或雙亮度等級調(diào)光,能效高達(dá)75-80%;1至30 W的應(yīng)用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔離方案,典型能效85%左右;1至40 W推薦使用NCL30000,可進(jìn)行初級可控硅調(diào)光,適用于隔離和非隔離方案,隔離方案能效80-85%。40至150 W推薦使用NCL30001,它是一個連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)控制芯片,隔離方案的典型能效85-90%;更大功率推薦使用NCL30051。圖2是這些方案輸出功率與能效的對比。以下將具體介紹這些方案的功能和特點(diǎn)。
圖2:LED照明的AC-DC電源方案輸出功率與效率的對比。
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針對1至30 W功率AC-DC應(yīng)用的LV5026/27/28系列LED控制器
該系列是安森美半導(dǎo)體成員公司三洋半導(dǎo)體的LED控制器--LV5026M、LV5028TT和LV5027T,其中LV5026M具有TRIAC調(diào)光、PWM調(diào)光、模擬調(diào)光和功率因數(shù)校正功能;LV5028TT只有TRIAC調(diào)光和功率因數(shù)校正功能。LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路如圖3所示。
圖3:LV5026/7/8 TRIAC調(diào)光電路。
以功能最多的LV5026M為例,它是兼容不同調(diào)光的高壓LED控制器,調(diào)光方式為TRIAC、模擬輸入或PWM輸入,可選擇開關(guān)頻率(50 kHz,開路70 kHz)。該方案是一個低噪聲開關(guān)系統(tǒng),采用5段跳躍模式頻率,可階躍驅(qū)動開關(guān);其參考電壓可以選擇(內(nèi)部0.605 V及外部輸入電壓),具有軟啟動功能和TRIAC穩(wěn)定功能。
旨在降低電磁干擾(EMI)的PWM控制架構(gòu)具有優(yōu)于競爭產(chǎn)品的特性。它采用2階躍驅(qū)動,可顯著減少噪聲;非恒定周期的5個級別頻率可有效消除EMI峰值。
低功率AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換有兩種方式,一種是非隔離降壓,要求機(jī)械式絕緣;其設(shè)計及電路配置簡單,電路板尺寸小,元件數(shù)量少,能效較高,物料單(BOM)成本也更低。另一種是隔離反激,采用電氣(磁)隔離,易于滿足安全要求,磁學(xué)設(shè)計較復(fù)雜,適合較高功率的設(shè)計,需要較大的電路板尺寸。
LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈,可實現(xiàn)以下產(chǎn)品特性:采用階躍門驅(qū)動方法,具有振蕩頻率回轉(zhuǎn)功能、高門能力驅(qū)動電路、可外部調(diào)節(jié)參考電壓、支持多種調(diào)光器(TRIAC調(diào)光、數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光);此外還支持軟啟動、過流保護(hù)、熱關(guān)閉、過壓保護(hù)等。LV5027M/LV5028M是LV5026M的簡化版本,外部元件數(shù)量更少。
圖4:LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈。
針對要求高能效及空間受限應(yīng)用的低功率降壓方案NCL30100
NCL30100是一款高能效、峰值電流控制自適應(yīng)固定關(guān)閉時間降壓控制器,可用于空間及高能效至關(guān)重要的低功率及空間受限的應(yīng)用,如MR16 LED燈等。該方案具有振蕩頻率可調(diào)節(jié)特性,采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),可以省去輸出電容,能效更高,并提供自然的LED開路保護(hù)。使用NCL30100可利用負(fù)電流感測,用小型電感降低功率損耗,實現(xiàn)低成本、高能效(100 Vac Vo=36 V,能效>90%)及元件數(shù)量少的應(yīng)用。
圖5:單電壓輸入降壓方案NCL30100。
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低功率離線降壓方案NCP1015
NCP1015單片開關(guān)電源IC能滿足交流85-265 Vac寬電壓輸入范圍,適合輸出功率在10 W以內(nèi)低功率離線降壓LED照明設(shè)計。這器件提供豐富特性,如軟啟動、頻率抖動、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定及動態(tài)自供電(DSS)等,不僅提升能效,還增強(qiáng)可靠性。在C8和IC的第1腳間加一個電阻可以提高能效,適合小電流、高電壓輸出。
圖6:NCP1015降壓方案。
適合降壓及降壓-升壓兩種配置的中低功率AC-DC方案NCL30000
采用NCL30000的“平均電流穩(wěn)流”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇兩種配置,一種是降壓配置(包含抽頭電感降壓配置)。其電感與LED串串聯(lián),僅在輸入電壓大于輸出壓降時有電流流動;功率因數(shù)(PF)及輸入電流總諧波失真(THDi%)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,THDi越高。
另一種是降壓-升壓配置,電感沒有與LED串串聯(lián),輸入電流波形或失真與輸出壓降無關(guān);固有的LED故障保護(hù)功能在MOSFET短路時提供保護(hù);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)。
降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理是,僅在輸入電壓超過LED正向壓降(VF)時有電流流過;利用臨界導(dǎo)電模式(CrM)及恒定導(dǎo)通時間工作提供高功率因數(shù);可直接感測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)力等于峰值線路電壓。
圖7是NCL30000高功率因數(shù)降壓方案應(yīng)用電路,需要線路可調(diào)光時,可根據(jù)線路及負(fù)載功率調(diào)節(jié)最大導(dǎo)通時間;兼容TRIAC或尾沿(晶體管)調(diào)光器;專用于一種線路電壓(120 Vac或230 Vac)時,可切相調(diào)光來優(yōu)化EMI濾波器設(shè)計,降低X電容值,將峰值電流減至最小。
圖7:NCL30000高功率因數(shù)降壓方案應(yīng)用電路。
以下介紹的是基于NCL30000的兩個AC-DC隔離電源方案實例。
1) 支持熱反走的AC可調(diào)光A19 LED燈:輸入電壓為90至135 Vac,5 W額定輸出功率(10 V @ 500 mA),可驅(qū)動3顆串聯(lián)LED;隔離式熱反走,溫度上升時線性減小輸出電流;功率因數(shù)>0.96,能效>77%;針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求;兼容TRIAC及晶體管調(diào)光器。
圖8:熱反走AC可調(diào)光A19 LED燈。
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2) AC可調(diào)光PAR30 LED燈:可用于輸入電壓115 V/230 V的燈,11 W額定輸出功率(24.5 V @ 450 mA),驅(qū)動串聯(lián)/3串并聯(lián)的8顆LED;隔離式;功率因數(shù)>0.96,能效>83%,針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求;兼容TRIAC及晶體管調(diào)光器。
圖9:AC可調(diào)光PAR30 LED燈。
用于中大功率AC-DC LED照明應(yīng)用的NCL30001方案
NCL30001功率因數(shù)校正(PFC)可調(diào)光LED驅(qū)動器適用于中大功率應(yīng)用(功率可達(dá)90 W),如建筑物裝飾光。支持的調(diào)光有三種方式:1-10 V模擬電壓輸入(1 V = 最小值,10 V為100%導(dǎo)通時的值);兩級雙電平模擬調(diào)光;以及PWM調(diào)光(調(diào)光頻率范圍350 Hz至3 kHz,調(diào)光范圍> 10:1)。保護(hù)特性包括:輸出開路及短路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過溫反走。
圖10:NCL30001用于建筑物裝飾光。
用于大功率建筑物裝飾光應(yīng)用的NCL30051方案
NCL30051是一款專用LED電源集成電路(IC),能夠為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器/LED驅(qū)動器(如NCL30160)提供恒定電壓。這器件集成了一個臨界導(dǎo)電模式(CrM) PFC控制器及一個半橋諧振控制器,并內(nèi)置600 V驅(qū)動器,針對離線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,具備了所有實現(xiàn)高能效、小外形因數(shù)設(shè)計所需的特性。NCL30051能夠用于功率達(dá)100 W的建筑物裝飾光應(yīng)用,在修改元件條件下,最大可以支持250 W功率。NCL30051支持的調(diào)光方式包括1-10 V模擬電壓輸入(1 V = 最小值,10 V為100%導(dǎo)通時的值)、兩級雙電平模擬調(diào)光,以及PWM調(diào)光(頻率范圍100至300 Hz,調(diào)光范圍>10:1)。保護(hù)特性包括:輸出開路及短路保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)。
圖11:NCL30051用于大功率建筑物裝飾光。
此外,安森美半導(dǎo)體的GreenPoint®設(shè)計仿真工具讓設(shè)計人員僅用幾個步驟即可完成選擇產(chǎn)品、確定設(shè)計要求、自動產(chǎn)生設(shè)計(電路圖)、仿真及驗證、物料單(BOM)及報告、下載報告為PDF文件、保存文件及分享等一系列流程,從而實現(xiàn)快速、易用、高效的LED產(chǎn)品開發(fā)。
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體利用在高能效電源及封裝方面的核心專長及優(yōu)勢,為LED照明應(yīng)用,特別是通用照明提供了符合各種規(guī)范要求控制和驅(qū)動器件。這些方案采用獨(dú)特的LED驅(qū)動電源架構(gòu)、模擬及調(diào)光技術(shù)、反激轉(zhuǎn)換器及非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),配合廣泛的應(yīng)用范圍,為實現(xiàn)各種通用照明設(shè)備提供更多的選擇。