中心議題：

• 低功率LED驅動器的特性及選擇要點
• 低功率LED通用照明驅動方案

解決方案：

• DC-DC供電的低功率LED照明應用方案
• 改善低功率LED住宅照明應用能效的方案
• 應對更高功率因數(shù)及TRIAC調光挑戰(zhàn)的方案

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低功率LED照明應用一般指功率為30 W以下的LED照明，包括特定指向照明，如櫥柜內(nèi)照明、嵌燈、射燈PAR20/30/38燈光替代、臺燈等，以及全向照明，如重點照明、家電、通用照明A型燈替代、裝飾性燈具及吊扇燈等。本文將在分析低功率LED通用照明驅動方案的要求、特點及選擇驅動的考慮因素的基礎上，介紹幾種典型的低功率LED通用照明驅動方案，并進一步介紹對低功率LED照明功率因數(shù)的改善方案及應對更高功率因數(shù)及TRIAC調光挑戰(zhàn)的方案。

1 低功率LED驅動器的特性及選擇要點

小功率的LED電源通常以恒流驅動，其恒壓功能是在輸出開路的情況下做為保護功能。小功率LED驅動器特性如圖1所示。

圖1：小功率LED驅動器特性

LED驅動器的主要功能，就是在工作條件范圍下限制電流，而無論輸入及輸出條件如何變化。其應用設計面臨多種限制條件，如高能效(低損耗)、高性價比、寬環(huán)境條件、高可靠性、靈活、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量等方面的標準、可改造用于已有應用及能采用傳統(tǒng)控制方式工作等。

要為低功率LED應用選擇適合的驅動器并不容易，需要顧及不同的因素。例如，商業(yè)和住宅市場對LED燈具在工作溫度、使用時長、性能及“能源之星”等行業(yè)標準方面的要求并不相同。此外，燈泡替代應用也存在著獨特挑戰(zhàn)，如LED電源及驅動器的熱度限制、尺寸受限及兼容的調光技術等。

就LED通用照明適用的標準而言，主要有美國“能源之星”要求的功率因數(shù)校正(PFC)標準以及歐盟的國際電工委員會(IEC)對總諧波失真的限制標準。其中，“能源之星”V1版燈具標準是自愿性標準，要求LED照明燈具具備PFC，適用于嵌燈、櫥柜燈及臺燈等特定產(chǎn)品，但與功率電平無關。這標準要求住宅應用的功率因數(shù)(PF)高于0.7，而商業(yè)應用高于0.9。

如前所述，為低功率LED照明應用選擇適合的驅動器須考慮眾多因素，這其中，有關功率因數(shù)等行業(yè)標準尤為重要。接下來，我們將以安森美半導體的幾款低功率LED通用照明驅動方案為例，探討如何在低功率照明應用中提供高功率因數(shù)。

2 DC-DC供電的低功率LED照明應用方案

LED通用照明有AC-DC供電和DC-DC供電兩種方式，其中AC-DC供電的低功率LED通用照明應用及方案在第一講LED照明驅動方案選型中已經(jīng)大體介紹過，所以在此不做贅述，本講主要根據(jù)功率的不同來介紹DC-DC供電的低功率LED通用照明方案。
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2.1  1 W-3 W DC-DC LED降壓應用
典型1 W-3 W 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350 mA和700 mA恒流輸出，頻率達500 kHz至2 MHz，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CAT4201降壓LED驅動器。CAT4201擁有專利的開關控制架構，可驅動7顆串聯(lián)LED(24 V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，應用電路見圖2。 

圖2：CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案

2.2  1 W-3 W手電筒LED升壓/降壓應用
1 W-3 W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1.2 MHz；降壓型應用的輸入電壓范圍為4至5.5 Vdc，頻率達1.7 MHz。兩類應用都需支持350 mA或600 mA恒流輸出，能效高于90%。在1-3 W手電筒升壓LED應用可采用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NCP1529低壓降壓轉換器，應用電路圖如圖3所示。 

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

2.3  3 W-20 W DC-DC LED升壓應用
典型3 W-20 W DC-DC LED升壓應用常見于DC-DC LED驅動器。這類應用的輸入電壓為5至28 Vdc，支持350 mA或700 mA恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用NCP3065/NCP3066 LED驅動器。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4顯示的是NCP3066的升壓配置LED應用電路圖。 

圖4：采用升壓配置的NCP3066用于3-20W DC-DC LED升壓應用[page]

2.4  1 W-30 W DC-DC LED降壓應用
典型1 W-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350 mA、700 mA或1 A恒流輸出，能效不低于90%。這類應用可以采用NCL30100降壓LED驅動器，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5。 

圖5：基于NCL30010的1-30 W DC-DC LED降壓應用

3 改善低功率LED住宅照明應用能效的方案

以住宅照明的臺燈和櫥柜燈等應用為例，功率一般在3 W到8 W之間。這樣的低功率應用最適合采用隔離型反激拓撲結構。但傳統(tǒng)離線反激電源轉換器在開關穩(wěn)壓器前面采用全波整流橋及大電容，這種配置的功率利用率或輸入線路波形的PF較低，僅在0.5至0.6的范圍。這就要引入PFC。如可在反激轉換器前采用NCP1607B這樣的有源PFC，能提供高于0.98的PF，但增加了元件數(shù)量及復雜性，且最適合的功率遠高于本應用要求。無源PFC方案眾多，可改善PF，但通常都使用較多額外元件，增加成本及電路板占用空間，并降低可靠性。

圖6：改善了功率因數(shù)的NCP1014應用電路圖

實際上，高功率因數(shù)通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電流之間的相位差極小。修改傳統(tǒng)設計的第一步就是在開關段前獲得極低電容，從而支持更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產(chǎn)生更合意的正弦輸入電流，反激轉換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數(shù)就高。NCP1014自供電單片開關穩(wěn)壓器采用固定頻率工作，電流不能上升到高于某個特定點；這個點由輸入電壓及開關周期或導電時間結束前的初級電感來確定。由于導電時間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數(shù)。 

圖7：基于NCP1014的演示板在20℃環(huán)境溫度及8.0 W輸出功率下提供更高功率因數(shù)[page]

4 應對更高功率因數(shù)及TRIAC調光挑戰(zhàn)的方案

要針對低功率LED照明應用提供高于0.9的功率因數(shù)及低總諧波失真，以適合商業(yè)應用要求，就有必要使用新的拓撲結構。在這種情況下，可以使用基于NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的單段式CrM反激拓撲結構。單段式拓撲結構省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本，并提供高功率因數(shù)。圖8顯示的是基于NCL30000的單段式高功率因數(shù)反激拓撲結構的簡化功能框圖。 

圖8：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動器GreenPoint®s21參考設計簡化框圖

在針對商業(yè)照明的應用中使用的是寬動態(tài)范圍的精確導通時間控制器方案NCL30000。設計中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之間實現(xiàn)折衷、能以單顆控制器支持寬功率范圍(5到30 W)、及便于優(yōu)化散熱及靈活布線等。基于NCL30000構建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)測試顯示，功率因數(shù)遠高于0.9，部分輸入電壓條件下功率因數(shù)甚至高于0.95(見圖9)，能效也極高。 

圖9：基于NCL30000的演示板PF及THD測試結果

總結

本文以安森美半導體的幾種LED驅動器為例，介紹低功率LED通用照明驅動器的選擇要點、應用方案及功率因數(shù)的改善方案，目的是幫助工程師選擇LED驅動器及設計高能效低功率LED通用照明。還有很多其他的公司也提供高能效的LED驅動器及解決方案，工程師可以根據(jù)自己的實際情況進行合理的選擇。