不同功率AC/DC供電LED通用照明應用要求及方案

不同功率的交流-直流(AC/DC) LED照明應用所適合的電源拓撲結構各不相同。如在功率低于80W的應用中，反激拓撲結構是標準選擇；而在講究高能效的應用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)是首選。安森美半導體提供覆蓋寬廣功率范圍的AC/DC LED照明方案，表1列舉了幾種典型的安森美半導體AC/DC LED照明方案。

表1：安森美半導體典型AC/DC LED通用照明解決方案

從應用的功率等級來看，AC/DC供電的LED通用照明應用包括低功率、中等功率和大功率等不同類型。低功率應用的功率范圍通常在1到12W之間，中等功率涵蓋8到40W范圍，大功率應用的功率常高于40W。

1W至8W LED通用照明應用要求及方案

在1W到8W的低功率LED通用照明方面，典型應用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。這類應用的輸入電壓范圍在交流90至264V之間，恒流輸出電流包括350mA和700mA兩種，能效要求為80%，并要求提供短路保護和過壓保護等保護特性。

在這類應用中，可以采用安森美半導體的NCP1015自供電單片開關控制IC。這器件集成了固定頻率(65/100/130kHz)電流模式控制器和700V的高壓MOSFET，提供構建強固的低成本電源所需的全部特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點及動態(tài)自供電功能(無需輔助繞組)等。

值得一提的是，NCP1015在1W到8W LED照明應用中，既可以用于隔離型方案，也可用于非隔離型方案，滿足客戶的不同應用需求。這兩種方案的成本差不多。但隔離型方案采用變壓器實現(xiàn)電氣隔離，方案中包含簡單的反饋電路和用于負載開路及故障保護的鉗位電路，安全性高，更適合于需求通過安規(guī)認證的應用。非隔離型方案采用抽頭電感來隔離交流信號，能提高MOSFET工作的占空比，提高系統(tǒng)能效及電路性能。

圖1：基于安森美半導體NCP1015的1至8W隔離型(a)及非隔離型(b) LED照明方案

上述基于NCP1015的隔離型及非隔離型方案均不含PFC，但安森美半導體也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，為客戶提供更多選擇。

8W至25W LED通用照明應用要求及方案：無PFC與有PFC

在8～25W AC/DC LED照明應用中，我們要考慮兩種情況。一種是應用不要求功率因數(shù)校正(PFC)。另一方面，美國能源部(DOE)“能源之星”固態(tài)照明(SSL)規(guī)范規(guī)定任何功率等級皆須強制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應用中則須大于0.9。但這標準屬于自愿性標準，即可選擇不遵從或遵從。因此，要考慮的另一種情況是要求PFC。

不需要PFC的8W到25W AC/DC LED照明方面，典型應用如PAR30、PAR38和嵌燈。在這類應用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入)，能效要求大于80%，提供短路保護及開路保護等保護特性，恒流輸出電流為350mA、700mA及1A等不同電流。相應地，可以采用安森美半導體的NCP1028或NCP1351，見圖2。

圖2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25W AC/DC LED照明方案(無PFC)

其中，NCP1028是一款增強型單片開關控制IC，提供800mA峰值電流，還提供過功率保護、內(nèi)置斜坡補償及輸入欠壓保護等特性，適用于在通用寬電源輸入的應用中提供幾瓦至15W的輸出功率。除了基于NCP1028的無PFC方案，安森美半導體現(xiàn)也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351則是一款固定導通時間、可變關閉時間脈寬調(diào)制(PWM)控制器，適用于成本至關重要的低功率離線反激開關電源應用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動、負電流感測及擴展的電源電壓范圍等特性。

在要求PFC的8W到25W AC/DC LED照明方面，典型應用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。這類應用的輸入電壓規(guī)格為90至264Vac，能效要求80%，支持350mA、700mA及1A恒流輸出，提供短路及過壓保護，功率因數(shù)要求高于0.9。這類應用適合采用安森美半導體的NCL30000單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器。單段式拓撲結構省下專用PFC升壓段，減少元器件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數(shù)，滿足IEC C類諧波含量要求。這器件能夠直接驅(qū)動LED，帶精確恒流輸出控制，在5至15W的較低輸出功率時能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現(xiàn)有調(diào)光方案。

圖3：基于NCL30000的8-25 W AC/DC LED照明方案(有PFC)

50W至200W LED通用照明應用要求及方案

功率高于50W的AC/DC LED應用廣泛用于街道照明及大功率區(qū)域照明，可以采用不同的LED方案，用于50～150W或100W -200W的功率范圍。假定其輸入電壓規(guī)格為90--264 Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護，及350mA、700mA和1A的恒流輸出。此類應用可以采用下述不同方案，適應不同需求：

NCL30001：單段式PFC LED驅(qū)動器；
NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM；
NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。

圖4：基于NCL30001的40-150 W AC/DC LED照明方案

以NCL30001為例，這是一款電流連續(xù)模式(CCM)控制器，用于40W到150W功率范圍的單段式功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器。這器件支持20到250 kHz的可調(diào)節(jié)開關頻率，支持頻率抖動和電壓前饋，包含輸入欠壓和過載定時器，提供高能效和高功率因數(shù)及強固的保護特性，圖4是NCL30001的典型應用電路圖。

值得一提的是，近年來，業(yè)界對超高能效的LED照明拓撲結構興趣日濃，期望在相對較低的功率電平(<50 W)提供高于90%的能效，這個能效目標甚至比“能源之星”2.0版外部電源能效要求(功率不超過49W時能效高于87%)更高。要達到這樣高的能效，需要采用新的拓撲結構，如從反激拓撲結構轉向諧振半橋拓撲結構，從而充分發(fā)揮零電壓開關(ZVS)的優(yōu)勢。有利的是，安森美半導體早已著手開發(fā)能用于LED驅(qū)動電源的高能效半橋解決方案，如NCP1396及其升級版NCP1397高性能諧振模式控制器。NCP1397內(nèi)置高端和低端驅(qū)動器，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率，提供極高能效，并具備多種故障保護特性。

不同功率DC/DC供電LED通用照明應用要求及方案

對于直流-直流(DC/DC)供電的LED照明應用而言，同樣可以根據(jù)不同功率范圍來展開討論。

1～3W DC/DC LED降壓應用

典型1～3W DC/DC LED降壓照明應用包括MR11/MR16、汽車照明、太陽能供電等。這類應用的輸入電壓為5到28 Vdc，支持350mA和700mA恒流輸出，頻率達500kHz至2MHz，能效不低于90%，工作溫度范圍為-40℃至125℃。在這類應用中，可以采用安森美半導體的CAT4201降壓LED驅(qū)動器。這器件擁有專利的開關控制架構，可驅(qū)動7顆串聯(lián)LED(24V輸入時)，能效高達94%，并提供LED開路保護、限流和過熱保護等保護特性。

圖5：CAT4201 1～3W DC/DC LED方案

1～30W DC/DC LED降壓應用

典型1～30W DC/DC LED降壓應用包括MR16射燈、街道照明中的次級端DC/DC LED驅(qū)動器。這類應用中，輸入電壓范圍為7至120 Vdc，輸出電壓范圍為6至110 Vdc，支持350mA、700mA或1A恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用安森美半導體的NCL30100降壓LED驅(qū)動器，這器件外置開關MOSFET，提供靈活的輸入電壓和輸出電流設計，能效高于95%，其應用電路圖參見圖6(a)。

圖6：基于NCL30010的1-30W LED降壓應用和基于NCP3066的3-20W LED升壓應用

1～20W DC/DC LED升壓應用

典型3～20W DC/DC LED升壓應用常見于DC/DC LED驅(qū)動器。這類應用的輸入電壓為5至28Vdc，支持350mA或700mA恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用安森美半導體的NCP3065/NCP3066 LED驅(qū)動器。NCP3065/NCP3066能夠配置為降壓、升壓、單端初級電感轉換器(SEPIC)和逆變器等不同模式，并提供相應的汽車應用版本，即NCV3065/NCV3066。圖6(b)顯示的是NCP3066的升壓配置LED應用電路圖。

1～3W手電筒LED升壓/降壓應用

1～3W手電筒LED應用中既有升壓型，也有降壓型。升壓型應用的輸入電壓范圍為1至2.5 Vdc，工作頻率達1.2MHz；降壓型應用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc，頻率達1.7MHz。兩類應用都需支持350mA或600mA恒流輸出，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應用可采用安森美半導體的NCP1421升壓DC/DC轉換器，同等功率范圍的手電筒降壓LED應用可以采用安森美半導體的NCP1529低壓降壓轉換器，應用電路圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7：基于NCP1421的升壓型和基于NCP1529的降壓型1～3W手電筒LED應用

特別適合低電流LED照明應用的線性恒流穩(wěn)流器

前文根據(jù)不同的供電類型，探討了不同功率范圍LED應用的要求及適合采用的驅(qū)動電源方案。但縱觀不同的LED照明應用，可以發(fā)現(xiàn)有一類應用側重于低電流應用，典型應用如商業(yè)和工業(yè)標識牌、汽車停車燈和尾燈，以及建筑物和裝飾照明等。這類低電流LED應用常見的驅(qū)動方案包括低壓降線性穩(wěn)壓器和電阻等。這兩種驅(qū)動方案各有其優(yōu)劣勢。
有利的是，安森美半導體利用正申請專利的自偏置晶體管(SBT)技術，結合自身超強的工藝控制能力，推出一種新的低電流LED驅(qū)動方案——NSI45系列雙端和三端線性恒流穩(wěn)流器(CCR)。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補了市場空隙。NSI45系列提供眾多優(yōu)勢，如在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時保護LED免受過驅(qū)動影響，輸入電壓較低時仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系統(tǒng)總成本等，非常適合低電流LED電流應用。

LED照明應用中的其它產(chǎn)品及方案

眾所周知，LED照明系統(tǒng)較為復雜，涉及光學、電和熱等不同范疇。安森美半導體身為應用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商，提供完整的LED照明解決方案，除了驅(qū)動電源外，還包括通信、光傳感器、MOSFET、整流器、保護、濾波器和熱管理產(chǎn)品，參見圖8。

例如， LED環(huán)境光及街燈強度控制、LED背光強度控制和顯示屏白平衡控制等應用需要能耗極低的環(huán)境光傳感器，并要求光傳感器支持精確的低光等級工作，特別是在存在濾光的情況下。在這類應用中，安森美半導體提供包括光傳感器、LED驅(qū)動器及高速I2C接口的光電產(chǎn)品組合，其中的光傳感器產(chǎn)品包括NOA1211(模擬輸出)、NOA1302(數(shù)字輸出)和NOA1305(數(shù)字輸出)等。這些光傳感器的工作電流極低，在100流明光輸出條件下分別僅為58μA、550μA和115μA。

此外，LED街燈等應用為了降低后期維護成本，可在應用中增加保護器件，如采用安森美半導體的NUD4700，在發(fā)生LED開路故障條件時提供旁路電流，保證其它LED正常工作，且恰當處理散熱的話，還可支持大于1A電流。另外，在智能電網(wǎng)趨勢下，工程師還可以在LED聯(lián)網(wǎng)街燈應用中采用安森美半導體的AMIS-30585和AMIS-49587電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器及NCS5650 PLC線路驅(qū)動器等產(chǎn)品。除此之外，安森美半導體的BC858CDXV6T1G雙極結晶體管(BJT)也可用于在LED照明應用的低能耗恒流感測。

圖8：安森美半導體能為LED照明應用提供完成光電組合產(chǎn)品解決方案

隨著高性價比、超高亮度LED的出現(xiàn)，固態(tài)照明近年來快速發(fā)展。相應地，照明設計工程師需要根據(jù)供電電源、燈具、功率范圍和LED配置等情況，選擇不同的LED驅(qū)動電源解決方案。安森美半導體從系統(tǒng)角度出發(fā)，提供考慮電、熱和光等多種因素的高可靠性產(chǎn)品，包括豐富的AC/DC和DC/DC供電高能效LED驅(qū)動解決方案，以及光傳感器、濾波、保護及聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品，為客戶提供完整的LED照明解決方案。

安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，提供涵蓋1至數(shù)百瓦功率范圍的LED照明驅(qū)動及PFC解決方案，而無論LED照明應用采用何種的是AC/DC電源、DC/DC電源或是LED手電筒所采用的電池，并滿足客戶對低成本、高性價比、高能效或是選擇是否增加PFC的不同要求。