安森美半导体中高功率照明LED驱动器方案

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LED的诸多优点已经使其逐步取代白炽灯、荧光灯等传统光源，在小功率应用上越来越多地出现在我们日常工作生活中，而在我们传统定义的20至400瓦的中高功率照明范围内，荧光灯、高强度气体放电灯还是主流。但随着大功率LED产品的不断推陈出新，模块化的LED灯条、大阵列LED等产品的出现，公路、体育馆、户外大型设施等需要大功率照明的应用场景中也越来越多出现LED产品的身影。
         
        LED照明电路相对设计简单、能集成控制、可方便实现调光、能有效降低电力消耗，所以在强调智能、绿色照明的今天，中高功率LED产品逐步替代高强度气体放电灯（HID）等传统光源已经是大势所趋。但我们也看到模块化的LED灯条和阵列对电源驱动的要求不尽相同，如何为中高功率LED照明产品提供可靠、高效、灵活的驱动电源方案是设计人员常面临的挑战。安森美半导体积极推动高能效创新，充分利用在电源领域的丰富经验，提供应用于LED照明不同的领域。而针对中大功率LED照明应用的不同需求，安森美半导体提供功率因数校正(PFC）控制器、准谐振及固定频率的反激控制器和开关稳压器、集成MOS的降压控制器、半桥驱动及LLC控制器、次级端控制器、集成PFC及PWM的组合控制器等多种控制器及其方案等，以满足不同电路拓扑设计的不同需求。
         
        单段式功率因数校正(PFC)方案
        功率因数校正(PFC)可有效改善高谐波分量给电源线、断路开关、电力设施带来的压力。PFC控制器一般可以分为单段式和多段式（常见两段式）两种结构。单段式（如图1所示）可直接电流驱动，只需单个开关及磁性元件，缺点则是100/120Hz纹波，MOSFET应力更大，占空比更大，功率限制在100-150W。
         

       

         

        图1.单段式PFC结构示意图

         
        典型的单段式PFC LED驱动方案有如安森美半导体的NCL30000。这器件使用临界导电模式(CrM)反激架构，以单段式拓扑结构提供高功率因数设计。安森美半导体基于NCL30000构建的25 W高功率因数单段式LED驱动器参考设计接受90-305Vac宽输入电压范围，能效高于87%，输入电流总谐波失真(THD)小于15%，功率因数(PF)大于0.97，输出功率25W(Vf=36Vdc)，LED电流700mA±4%，最大LED电压44Vdc。安森美半导体还推出了单段式连续电流模式(CCM) PFC LED驱动器NCL30001，可以配置为恒流驱动器或固定输出电压驱动器，适合40W到150W LED照明设计。
         
        两段式PFC + DC-DC转换方案
        除了上述单段式方案，设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式（PFC段+DC-DC转换段）方案（如图2所示）。前段PFC的功能一方面实现输入电流整形以减小输入电流谐波，另一方面将输入交流电压转换为稳定的直流电压（变化范围一般为380V-400V），后段的DC-DC转换器实现隔离和变换，将稳定直流电压变换为所需要的电压，通常可以用反激、LLC或者降压实现，其优点是易于扩展功率和尺寸，易于提供次级端偏置电源，但相应会带来成本上的提升。
         

       

         

        图2.两段式PFC结构示意图

         
        具体而言，两段式方案中的PFC段可选用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。
         
        其中，NCP1605是增强型高压、高能效待机模式功率因数控制器，工作在固定频率非连续导电模式(DCM)和/或临界导电模式(CrM)。NCP1605能够作为PFC主控端工作，确保电源的第二段仅在安全条件下启动。它集成跳周期功能，将待机损耗降到最低。
         
        NCP1631则是安森美半导体推出的一款单芯片2相交错式PFC控制器，可以替代2颗NCP1601，驱动2个PFC支路，提供接近1的高功率因数。
         
        采用传统的CrM/BCM控制时，负载减少时开关频率上升，轻载时控制器可能进入“突发的调频模式”，产生噪声；采用电流控制频率反走(CCFF）控制时，负载减小时开关频率减小，降低噪声，轻载时控制器频率较低，可在高于可听频带的频率钳位，极轻载时采用跳周期模式工作，可以关闭以提升更好的THD，谷底导通进一步提升能效，减小电磁干扰(EMI)（如图3所示）。NCP1611/NCP1612基于创新的CCFF架构，在PFC电感电流超过设定值时，电路通常工作在临界导电模式(CrM)，而当电流低于预设值时，将开关频率线性降低至约20 kHz，此时电流为零。NCP1615同样基于CCFF架构，当电流在预设水平以下时，NCP1615芯片的控制频率会线性衰减到26KHz。
         

       

         

        图3. 电流控制频率反走(CCFF)架构原理说明

         
        对于两段式方案而言，在高压DC-DC次级段，单开关反激架构（图4所示）能效高，设计简单，但功率设计通常小于100W。安森美半导体作为业内领先的固定频率及准谐振(QR)控制方案供应商，提供的准谐振固定频率反激控制芯片具备高压启动、QR谷底锁定、强固的故障保护、宽产品系列（控制器最低6个引脚）等特点。从业内率先推出第一代高压准谐振反激控制芯片NCP1207/NCP1308，到第二代提供更多保护功能的NCP1337/NCP1338，再到第三代轻载能效大幅提升的NCP1380，直到最新的第四代改善空载能耗的NCP1339，安森美半导体一直都在不断努力，开发更多满足客户更宽需求的芯片产品。
         

       

         

        图4.高压DC-DC次级端反激拓扑示意图

         
        而相对于其他谐振拓扑，LLC串联谐振转换器（图5所示）则能够在相对宽的输入电压及输出负责范围下工作；所需元器件数量则更少，谐振储能元件能够集成到单个变压器中；初级端开关在所有额定负载条件下能实现零电压开关(ZVS)；次级端二极管能够实现零电流开关(ZCS)，没有反向恢复损耗，所以作为一种高性价比、高能效及低EMI方案，常用于高输出电压的应用中。
         
        NCP1398作为第五代高性能LLC串联谐振控制器，工作频率可以从50kHz高至750kHz，可调节最小开关频率精度达到±3%，可调节死区时间，带外部可调节软启动，精密及高阻抗输入欠压保护，用于过温或过压等严重故障条件下闩锁输入脚，基于定时器的可自动恢复过流保护，闩锁输出短路保护，on/off控制关闭输入脚，跳周期模式，带可调节迟滞，Vcc工作电压达20V，共集电极光耦连接，简化Oring控制，内置过温关闭，600V半桥驱动器，带1A/0.5A汲/源驱动能力，NCP1398B还提供反馈环路开路保护。
         

       

         

        图5.高压DC-DC次级端LLC串联谐振示意图

         
        组合控制器方案
        NCL30051是一款PFC及谐振半桥组合控制器，这器件集成了一个CrMPFC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，采用SOIC16封装，具备了所有实现高能效、小外形设计所需的特性。相比传统途径的CrM PFC+LLC通过改变LLC频率来控制功率，NCL30051则是改变PFC大电容电压来控制功率，局限在于大电容电压的动态范围，优点则是简化了固定电压LED驱动器设计。
         
        总结
        LED照明正快速演变，新的驱动方案需要能够配合市场上最新的LED应用；同时为提升能效及降低系统总成本，拓扑结构的选择也在演变。为满足中高功率LED照明驱动的需求，安森美半导体提供了阵容广博、相辅相成的方案，包括单段式PFC方案，以及PFC+DC-DC转换的两段式方案，满足不同的中大功率LED照明应用的需求。