基于采用交流離線電源的LED驅(qū)動電路設(shè)計

根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

1）采用交流離線電源為LED供電

在采用交流離線電源為LED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離（galvanic isolation）時使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓撲結(jié)構(gòu)。

在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達5 W（電流為350 mA、700 mA或1 A）的緊湊型設(shè)計應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。

以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾（EMI）信號以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是，這設(shè)計具有開路輸出保護功能，會在開路時將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計中，電流和開路電壓能夠通過簡單地改變電阻/齊納二極管組合來調(diào)整。值得一提的是，如果針對230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達19 W的功率，NCP1028能夠提供高達25 W的功率。

圖1：安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖。

在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動器則面臨著功率因數(shù)校正（PFC）的問題。例如，歐盟的國際電工委員會（IEC）針對照明（功率大于25 W）的要求中具有針對總諧波失真（THD）的規(guī)定。而在美國，能源部“能源之星”項目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對PFC帶有強制性要求（而無論是何種功率等級），即針對住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn)，并非強制性要求，但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如，公營事業(yè)機構(gòu)將推動LED的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用在公用設(shè)施級別的LED可望擁有較高功率因數(shù)；而且公營事業(yè)機構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時，LED是否具有較高功率因數(shù)（通常大于0.95）取決于公營事業(yè)機構(gòu)的意愿，如果他們愿意，則相應(yīng)的LED驅(qū)動解決方案必須滿足這方面的要求。

圖2：需要PFC的LED驅(qū)動應(yīng)用中不同架構(gòu)對比。

在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡單，但在總體能效方面會有折衷，如假設(shè)交流-直流（AC-DC）段的能效為87%至90%，直流-直流（DC-DC）段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進，這種架構(gòu)預(yù)計將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。

另一方面，如上所述，在不需要隔離的應(yīng)用中，可以采用較為簡單的降壓拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來實現(xiàn)這種解決方案。這種架構(gòu)采用的是峰值電流控制（PCC）模式，工作在深度連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）。這種架構(gòu)具有多種優(yōu)勢，如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩(wěn)流的簡單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導(dǎo)體的動態(tài)自供電（DSS）技術(shù)能力來直接從交流線路為驅(qū)動器供電。圖3顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1216 PWM電流模式控制器的應(yīng)用設(shè)計示意圖。

圖3：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅(qū)動應(yīng)用。

它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢，從交流主電源直接為控制器供電，進一步簡化了電路。這設(shè)計適合120 Vac條件，若要用于230 Vac條件，則需要變更少許元件，如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設(shè)計，所以存在高壓。而且這是一項浮動設(shè)計，IC和LED并非對地參考。在對器件進行供電之前，LED必須連接至電路板。

對于這類降壓控制方式而言，當(dāng)控制的LED數(shù)量減少時，它的一項局限就會出現(xiàn)，因為這時占空比會變得極窄。而且開關(guān)控制器在電流被感測到之前會有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開關(guān)頻率來適應(yīng)正常操作，并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構(gòu)能夠通過元件修改來輕易擴展，從而也能驅(qū)動更長的LED串。

2）采用寬輸入范圍的直流-直流（DC-DC）電源為LED供電

有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。

表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應(yīng)用。

即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)（降壓-升壓）/單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等多種拓撲結(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時內(nèi)部熱關(guān)閉等。

圖4：安森美半導(dǎo)體NCP3065在LED恒流降壓控制應(yīng)用中的示意圖。

為LED提供保護

如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源（可長達5萬小時）。除了需要針對具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動解決方案，還需要為LED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo，因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣，可能是因為LED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因為某些應(yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用（故障停機成本高），或是安全攸關(guān)的應(yīng)用（如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等），或是在地理上難于接近的應(yīng)用（維護困難）等。

在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護解決方案。圖5是這種分流保護解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。

圖5：安森美半導(dǎo)體NUD4700 LED開路分流保護器的應(yīng)用示意圖。

在LED正常工作時，泄漏電流僅為近100 μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時，LED就會開路，這時NUD4700分流保護器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計用于1 W LED（額定電流為350 mA@ 3 V），如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。

總結(jié)

相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優(yōu)勢，越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場。而LED在通用照明市場的應(yīng)用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動、散熱和光學(xué)等。