安森美半導(dǎo)體中高功率照明LED驅(qū)動(dòng)器方案

LED的諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，在小功率應(yīng)用上越來越多地出現(xiàn)在我們?nèi)粘９ぷ魃�活中，而在我們傳統(tǒng)定義的20至400瓦的中高功率照明范圍內(nèi)，熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈還是主流。但隨著大功率LED產(chǎn)品的不斷推陳出新，模塊化的LED燈條、大陣列LED等產(chǎn)品的出現(xiàn)，公路、體育館、戶外大型設(shè)施等需要大功率照明的應(yīng)用場(chǎng)景中也越來越多出現(xiàn)LED產(chǎn)品的身影。

LED照明電路相對(duì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、能集成控制、可方便實(shí)現(xiàn)調(diào)光、能有效降低電力消耗，所以在強(qiáng)調(diào)智能、綠色照明的今天，中高功率LED產(chǎn)品逐步替代高強(qiáng)度氣體放電燈（HID）等傳統(tǒng)光源已經(jīng)是大勢(shì)所趨。但我們也看到模塊化的LED燈條和陣列對(duì)電源驅(qū)動(dòng)的要求不盡相同，如何為中高功率LED照明產(chǎn)品提供可靠、高效、靈活的驅(qū)動(dòng)電源方案是設(shè)計(jì)人員常面臨的挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體積極推動(dòng)高能效創(chuàng)新，充分利用在電源領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，提供應(yīng)用于LED照明不同的領(lǐng)域。而針對(duì)中大功率LED照明應(yīng)用的不同需求，安森美半導(dǎo)體提供功率因數(shù)校正(PFC）控制器、準(zhǔn)諧振及固定頻率的反激控制器和開關(guān)穩(wěn)壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅(qū)動(dòng)及LLC控制器、次級(jí)端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等，以滿足不同電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)的不同需求。

單段式功率因數(shù)校正(PFC)方案

功率因數(shù)校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線、斷路開關(guān)、電力設(shè)施帶來的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式（常見兩段式）兩種結(jié)構(gòu)。單段式（如圖1所示）可直接電流驅(qū)動(dòng)，只需單個(gè)開關(guān)及磁性元件，缺點(diǎn)則是100/120Hz紋波，MOSFET應(yīng)力更大，占空比更大，功率限制在100-150W。

圖1.單段式PFC結(jié)構(gòu)示意圖

典型的單段式PFC LED驅(qū)動(dòng)方案有如安森美半導(dǎo)體的NCL30000。這器件使用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高功率因數(shù)設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體基于NCL30000構(gòu)建的25 W高功率因數(shù)單段式LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)接受90-305Vac寬輸入電壓范圍，能效高于87%，輸入電流總諧波失真(THD)小于15%，功率因數(shù)(PF)大于0.97，輸出功率25W(Vf=36Vdc)，LED電流700mA±4%，較大LED電壓44Vdc。安森美半導(dǎo)體還推出了單段式連續(xù)電流模式(CCM) PFC LED驅(qū)動(dòng)器NCL30001，可以配置為恒流驅(qū)動(dòng)器或固定輸出電壓驅(qū)動(dòng)器，適合40W到150W LED照明設(shè)計(jì)。

兩段式PFC + DC-DC轉(zhuǎn)換方案

除了上述單段式方案，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式（PFC段+DC-DC轉(zhuǎn)換段）方案（如圖2所示）。前段PFC的功能一方面實(shí)現(xiàn)輸入電流整形以減小輸入電流諧波，另一方面將輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓（變化范圍一般為380V-400V），后段的DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)隔離和變換，將穩(wěn)定直流電壓變換為所需要的電壓，通�？梢杂梅醇�、LLC或者降壓實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)展功率和尺寸，易于提供次級(jí)端偏置電源，但相應(yīng)會(huì)帶來成本上的提升。

圖2.兩段式PFC結(jié)構(gòu)示意圖

具體而言，兩段式方案中的PFC段可選用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。

其中，NCP1605是增強(qiáng)型高壓、高能效待機(jī)模式功率因數(shù)控制器，工作在固定頻率非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和/或臨界導(dǎo)電模式(CrM)。NCP1605能夠作為PFC主控端工作，確保電源的第二段僅在安全條件下啟動(dòng)。它集成跳周期功能，將待機(jī)損耗降到較低。

NCP1631則是安森美半導(dǎo)體推出的一款單芯片2相交錯(cuò)式PFC控制器，可以替代2顆NCP1601，驅(qū)動(dòng)2個(gè)PFC支路，提供接近1的高功率因數(shù)。

采用傳統(tǒng)的CrM/BCM控制時(shí)，負(fù)載減少時(shí)開關(guān)頻率上升，輕載時(shí)控制器可能進(jìn)入“突發(fā)的調(diào)頻模式”，產(chǎn)生噪聲；采用電流控制頻率反走(CCFF）控制時(shí)，負(fù)載減小時(shí)開關(guān)頻率減小，降低噪聲，輕載時(shí)控制器頻率較低，可在高于可聽頻帶的頻率鉗位，極輕載時(shí)采用跳周期模式工作，可以關(guān)閉以提升更好的THD，谷底導(dǎo)通進(jìn)一步提升能效，減小電磁干擾(EMI)（如圖3所示）。NCP1611/NCP1612基于創(chuàng)新的CCFF架構(gòu)，在PFC電感電流超過設(shè)定值時(shí)，電路通常工作在臨界導(dǎo)電模式(CrM)，而當(dāng)電流低于預(yù)設(shè)值時(shí)，將開關(guān)頻率線性降低至約20 kHz，此時(shí)電流為零。NCP1615同樣基于CCFF架構(gòu)，當(dāng)電流在預(yù)設(shè)水平以下時(shí)，NCP1615芯片的控制頻率會(huì)線性衰減到26KHz。

圖3. 電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)原理說明

對(duì)于兩段式方案而言，在高壓DC-DC次級(jí)段，單開關(guān)反激架構(gòu)（圖4所示）能效高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但功率設(shè)計(jì)通常小于100W。安森美半導(dǎo)體作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的固定頻率及準(zhǔn)諧振(QR)控制方案供應(yīng)商，提供的準(zhǔn)諧振固定頻率反激控制芯片具備高壓?jiǎn)��?dòng)、QR谷底鎖定、強(qiáng)固的故障保護(hù)、寬產(chǎn)品系列（控制器較低6個(gè)引腳）等特點(diǎn)。從業(yè)內(nèi)率先推出第一代高壓準(zhǔn)諧振反激控制芯片NCP1207/NCP1308，到第二代提供更多保護(hù)功能的NCP1337/NCP1338，再到第三代輕載能效大幅提升的NCP1380，直到較新的第四代改善空載能耗的NCP1339，安森美半導(dǎo)體一直都在不斷努力，開發(fā)更多滿足客戶更寬需求的芯片產(chǎn)品。

圖4.高壓DC-DC次級(jí)端反激拓?fù)涫疽鈭D

而相對(duì)于其他諧振拓?fù)�，LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（圖5所示）則能夠在相對(duì)寬的輸入電壓及輸出負(fù)責(zé)范圍下工作；所需元器件數(shù)量則更少，諧振儲(chǔ)能元件能夠集成到單個(gè)變壓器中；初級(jí)端開關(guān)在所有額定負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)；次級(jí)端二極管能夠?qū)崿F(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)，沒有反向恢復(fù)損耗，所以作為一種高性價(jià)比、高能效及低EMI方案，常用于高輸出電壓的應(yīng)用中。

NCP1398作為第五代高性能LLC串聯(lián)諧振控制器，工作頻率可以從50kHz高至750kHz，可調(diào)節(jié)較小開關(guān)頻率精度達(dá)到±3%，可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，帶外部可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)，精密及高阻抗輸入欠壓保護(hù)，用于過溫或過壓等嚴(yán)重故障條件下閂鎖輸入腳，基于定時(shí)器的可自動(dòng)恢復(fù)過流保護(hù)，閂鎖輸出短路保護(hù)，on/off控制關(guān)閉輸入腳，跳周期模式，帶可調(diào)節(jié)遲滯，Vcc工作電壓達(dá)20V，共集電極光耦連接，簡(jiǎn)化Oring控制，內(nèi)置過溫關(guān)閉，600V半橋驅(qū)動(dòng)器，帶1A/0.5A汲/源驅(qū)動(dòng)能力，NCP1398B還提供反饋環(huán)路開路保護(hù)。

圖5.高壓DC-DC次級(jí)端LLC串聯(lián)諧振示意圖

組合控制器方案

NCL30051是一款PFC及諧振半橋組合控制器，這器件集成了一個(gè)CrMPFC控制器及一個(gè)半橋諧振控制器，并內(nèi)置600 V驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)離線電源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，采用SOIC16封裝，具備了所有實(shí)現(xiàn)高能效、小外形設(shè)計(jì)所需的特性。相比傳統(tǒng)途徑的CrM PFC+LLC通過改變LLC頻率來控制功率，NCL30051則是改變PFC大電容電壓來控制功率，局限在于大電容電壓的動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)點(diǎn)則是簡(jiǎn)化了固定電壓LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

總結(jié)

LED照明正快速演變，新的驅(qū)動(dòng)方案需要能夠配合市場(chǎng)上較新的LED應(yīng)用；同時(shí)為提升能效及降低系統(tǒng)總成本，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇也在演變。為滿足中高功率LED照明驅(qū)動(dòng)的需求，安森美半導(dǎo)體提供了陣容廣博、相輔相成的方案，包括單段式PFC方案，以及PFC+DC-DC轉(zhuǎn)換的兩段式方案，滿足不同的中大功率LED照明應(yīng)用的需求。

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