中心議題：
- 低功率LED驅(qū)動(dòng)器的特性及選擇要點(diǎn)
- 低功率LED通用照明驅(qū)動(dòng)方案
解決方案：
- DC-DC供電的低功率LED照明應(yīng)用方案
- 改善低功率LED住宅照明應(yīng)用能效的方案
- 應(yīng)對(duì)更高功率因數(shù)及TRIAC調(diào)光挑戰(zhàn)的方案
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低功率LED照明應(yīng)用一般指功率為30 W以下的LED照明，包括特定指向照明，如櫥柜內(nèi)照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺(tái)燈等，以及全向照明，如重點(diǎn)照明、家電、通用照明A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將在分析低功率LED通用照明驅(qū)動(dòng)方案的要求、特點(diǎn)及選擇驅(qū)動(dòng)的考慮因素的基礎(chǔ)上，介紹幾種典型的低功率LED通用照明驅(qū)動(dòng)方案，并進(jìn)一步介紹對(duì)低功率LED照明功率因數(shù)的改善方案及應(yīng)對(duì)更高功率因數(shù)及TRIAC調(diào)光挑戰(zhàn)的方案。
1 低功率LED驅(qū)動(dòng)器的特性及選擇要點(diǎn)
小功率的LED電源通常以恒流驅(qū)動(dòng)，其恒壓功能是在輸出開(kāi)路的情況下做為保護(hù)功能。小功率LED驅(qū)動(dòng)器特性如圖1所示。
圖1：小功率LED驅(qū)動(dòng)器特性
LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能，就是在工作條件范圍下限制電流，而無(wú)論輸入及輸出條件如何變化。其應(yīng)用設(shè)計(jì)面臨多種限制條件，如高能效(低損耗)、高性價(jià)比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標(biāo)準(zhǔn)、可改造用于已有應(yīng)用及能采用傳統(tǒng)控制方式工作等。
要為低功率LED應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)器并不容易，需要顧及不同的因素。例如，商業(yè)和住宅市場(chǎng)對(duì)LED燈具在工作溫度、使用時(shí)長(zhǎng)、性能及“能源之星”等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面的要求并不相同。此外，燈泡替代應(yīng)用也存在著獨(dú)特挑戰(zhàn)，如LED電源及驅(qū)動(dòng)器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。
就LED通用照明適用的標(biāo)準(zhǔn)而言，主要有美國(guó)“能源之星”要求的功率因數(shù)校正(PFC)標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)總諧波失真的限制標(biāo)準(zhǔn)。其中，“能源之星”V1版燈具標(biāo)準(zhǔn)是自愿性標(biāo)準(zhǔn)，要求LED照明燈具具備PFC，適用于嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈等特定產(chǎn)品，但與功率電平無(wú)關(guān)。這標(biāo)準(zhǔn)要求住宅應(yīng)用的功率因數(shù)(PF)高于0.7，而商業(yè)應(yīng)用高于0.9。
如前所述，為低功率LED照明應(yīng)用選擇適合的驅(qū)動(dòng)器須考慮眾多因素，這其中，有關(guān)功率因數(shù)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。接下來(lái)，我們將以安森美半導(dǎo)體的幾款低功率LED通用照明驅(qū)動(dòng)方案為例，探討如何在低功率照明應(yīng)用中提供高功率因數(shù)。
2 DC-DC供電的低功率LED照明應(yīng)用方案
LED通用照明有AC-DC供電和DC-DC供電兩種方式，其中AC-DC供電的低功率LED通用照明應(yīng)用及方案在第一講LED照明驅(qū)動(dòng)方案選型中已經(jīng)大體介紹過(guò)，所以在此不做贅述，本講主要根據(jù)功率的不同來(lái)介紹DC-DC供電的低功率LED通用照明方案。
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2.1 1 W-3 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型1 W-3 W DC-DC LED降壓照明應(yīng)用包括MR11/MR16、汽車照明、太陽(yáng)能供電等。這類應(yīng)用的輸入電壓為5到28 Vdc，支持350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達(dá)500 kHz至2 MHz，能效不低于90%，工作溫度范圍為-40℃至125℃。在這類應(yīng)用中，可以采用CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器。CAT4201擁有專利的開(kāi)關(guān)控制架構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)7顆串聯(lián)LED(24 V輸入時(shí))，能效高達(dá)94%，并提供LED開(kāi)路保護(hù)、限流和過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)特性，應(yīng)用電路見(jiàn)圖2。
圖2：CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案
2.2 1 W-3 W手電筒LED升壓/降壓應(yīng)用
1 W-3 W手電筒LED應(yīng)用中既有升壓型，也有降壓型。升壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為1至2.5 Vdc，工作頻率達(dá)1.2 MHz；降壓型應(yīng)用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc，頻率達(dá)1.7 MHz。兩類應(yīng)用都需支持350 mA或600 mA恒流輸出，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應(yīng)用可采用NCP1421升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，同等功率范圍的手電筒降壓LED應(yīng)用可以采用NCP1529低壓降壓轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用電路圖如圖3所示。
圖3：基于NCP1421的升壓型和基于NCP1529的降壓型1-3 W手電筒LED應(yīng)用
2.3 3 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用
典型3 W-20 W DC-DC LED升壓應(yīng)用常見(jiàn)于DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器。這類應(yīng)用的輸入電壓為5至28 Vdc，支持350 mA或700 mA恒流輸出，能效不低于90%。這類應(yīng)用可以采用NCP3065/NCP3066 LED驅(qū)動(dòng)器。NCP3065/NCP3066能夠配置為降壓、升壓、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)和逆變器等不同模式，并提供相應(yīng)的汽車應(yīng)用版本，即NCV3065/NCV3066。圖4顯示的是NCP3066的升壓配置LED應(yīng)用電路圖。
圖4：采用升壓配置的NCP3066用于3-20W DC-DC LED升壓應(yīng)用[page]
2.4 1 W-30 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
典型1 W-30W DC-DC LED降壓應(yīng)用包括MR16射燈、街道照明中的次級(jí)端DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器。這類應(yīng)用中，輸入電壓范圍為7 至120 Vdc，輸出電壓范圍為6至110 Vdc，支持350 mA、700 mA或1 A恒流輸出，能效不低于90%。這類應(yīng)用可以采用NCL30100降壓LED驅(qū)動(dòng)器，這器件外置開(kāi)關(guān)MOSFET，提供靈活的輸入電壓和輸出電流設(shè)計(jì)，能效高于95%，其應(yīng)用電路圖參見(jiàn)圖5。
圖5：基于NCL30010的1-30 W DC-DC LED降壓應(yīng)用
3 改善低功率LED住宅照明應(yīng)用能效的方案
以住宅照明的臺(tái)燈和櫥柜燈等應(yīng)用為例，功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應(yīng)用最適合采用隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)離線反激電源轉(zhuǎn)換器在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器前面采用全波整流橋及大電容，這種配置的功率利用率或輸入線路波形的PF較低，僅在0.5至0.6的范圍。這就要引入PFC。如可在反激轉(zhuǎn)換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC，能提供高于0.98的PF，但增加了元件數(shù)量及復(fù)雜性，且最適合的功率遠(yuǎn)高于本應(yīng)用要求。無(wú)源PFC方案眾多，可改善PF，但通常都使用較多額外元件，增加成本及電路板占用空間，并降低可靠性。
圖6：改善了功率因數(shù)的NCP1014應(yīng)用電路圖
實(shí)際上，高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步就是在開(kāi)關(guān)段前獲得極低電容，從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產(chǎn)生更合意的正弦輸入電流，反激轉(zhuǎn)換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數(shù)就高。NCP1014自供電單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個(gè)特定點(diǎn)；這個(gè)點(diǎn)由輸入電壓及開(kāi)關(guān)周期或?qū)щ姇r(shí)間結(jié)束前的初級(jí)電感來(lái)確定。由于導(dǎo)電時(shí)間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。
圖7：基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數(shù)[page]
4 應(yīng)對(duì)更高功率因數(shù)及TRIAC調(diào)光挑戰(zhàn)的方案
要針對(duì)低功率LED照明應(yīng)用提供高于0.9的功率因數(shù)及低總諧波失真，以適合商業(yè)應(yīng)用要求，就有必要使用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種情況下，可以使用基于NCL30000臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激控制器的單段式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，并提供高功率因數(shù)。圖8顯示的是基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化功能框圖。
圖8：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®s21參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化框圖
在針對(duì)商業(yè)照明的應(yīng)用中使用的是寬動(dòng)態(tài)范圍的精確導(dǎo)通時(shí)間控制器方案NCL30000。設(shè)計(jì)中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實(shí)現(xiàn)折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線等。基于NCL30000構(gòu)建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測(cè)試顯示，功率因數(shù)遠(yuǎn)高于0.9，部分輸入電壓條件下功率因數(shù)甚至高于0.95(見(jiàn)圖9)，能效也極高。
圖9：基于NCL30000的演示板PF及THD測(cè)試結(jié)果
總結(jié)
本文以安森美半導(dǎo)體的幾種LED驅(qū)動(dòng)器為例，介紹低功率LED通用照明驅(qū)動(dòng)器的選擇要點(diǎn)、應(yīng)用方案及功率因數(shù)的改善方案，目的是幫助工程師選擇LED驅(qū)動(dòng)器及設(shè)計(jì)高能效低功率LED通用照明。還有很多其他的公司也提供高能效的LED驅(qū)動(dòng)器及解決方案，工程師可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。
