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，具体讲，LED通用照明有以下几个挑战：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，包括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，电力线通信(PLC)调制解调器等等。本文主要介绍用于LED照明的AC-DC电源方案及相关电路，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

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LV5026/27/28系列LED控制器

    该系列是安森美半导体成员公司三洋半导体的LED控制器--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(50 kHz，开路70 kHz)。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(100 Vac 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。

图7：NCL30000高功率因数降压方案应用电路

    以下介绍的是基于NCL30000的两个AC-DC隔离电源方案实例。

    1) 支持热反走的AC可调光A19 LED灯：输入电压为90至135 Vac，5 W额定输出功率(10 V @ 500 mA)，可驱动3颗串联LED；隔离式热反走，温度上升时线性减小输出电流；功率因数>0.96，能效>77%；针对“能源之星”1.1版整体式LED灯要求；兼容TRIAC及晶体管调光器。

图8：热反走AC可调光A19 LED灯

    2) AC可调光PAR30 LED灯：可用于输入电压115 V/230 V的灯，11 W额定输出功率(24.5 V @ 450 mA)，驱动串联/3串并联的8颗LED；隔离式；功率因数>0.96，能效>83%，针对“能源之星”1.1版整体式LED灯要求；兼容TRIAC及晶体管调光器。

图9：AC可调光PAR30 LED灯

    用于中大功率AC-DC LED照明应用的NCL30001方案

    NCL30001功率因数校正(PFC)可调光LED驱动器适用于中大功率应用(功率可达90 W)，如建筑物装饰光。支持的调光有三种方式：1-10 V模拟电压输入(1 V = 最小值，10 V为100%导通时的值)；两级双电平模拟调光；以及PWM调光(调光频率范围350 Hz至3 kHz,调光范围> 10:1)。保护特性包括：输出开路及短路保护、过温保护、过流保护、过压保护和过温反走。

图10：NCL30001用于建筑物装饰光

    用于大功率建筑物装饰光应用的NCL30051方案

    NCL30051是一款专用LED电源集成电路(IC)，能够为降压DC-DC转换器/LED驱动器(如NCL30160)提供恒定电压。这器件集成了一个临界导电模式(CrM) PFC控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600 V驱动器，针对离线电源应用进行了优化，具备了所有实现高能效、小外形因数设计所需的特性。NCL30051能够用于功率达100 W的建筑物装饰光应用，在修改元件条件下，最大可以支持250 W功率。NCL30051支持的调光方式包括1-10 V模拟电压输入(1 V = 最小值，10 V为100%导通时的值)、两级双电平模拟调光，以及PWM调光(频率范围100至300 Hz，调光范围>10:1)。保护特性包括：输出开路及短路保护、过温保护、过流保护、过压保护。

图11：NCL30051用于大功率建筑物装饰光

    此外，安森美半导体的GreenPoint®设计仿真工具让设计人员仅用几个步骤即可完成选择产品、确定设计要求、自动产生设计(电路图)、仿真及验证、物料单(BOM)及报告、下载报告为PDF文件、保存文件及分享等一系列流程，从而实现快速、易用、高效的LED产品开发。

    总结

    安森美半导体利用在高能效电源及封装方面的核心专长及优势，为LED照明应用，特别是通用照明提供了符合各种规范要求控制和驱动器件。这些方案采用独特的LED驱动电源架构、模拟及调光技术、反激转换器及非隔离拓扑结构，配合广泛的应用范围，为实现各种通用照明设备提供更多的选择。<