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安森美半導(dǎo)體中高功率照明LED驅(qū)動器方案

發(fā)布時間:2014-06-30 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】LED的諸多優(yōu)點已經(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钪?,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、高強度氣體放電燈還是主流。

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)用場景中也越來越多出現(xiàn)LED產(chǎn)品的身影。

LED照明電路相對設(shè)計簡單、能集成控制、可方便實現(xiàn)調(diào)光、能有效降低電力消耗,所以在強調(diào)智能、綠色照明的今天,中高功率LED產(chǎn)品逐步替代高強度氣體放電燈(HID)等傳統(tǒng)光源已經(jīng)是大勢所趨。但我們也看到模塊化的LED燈條和陣列對電源驅(qū)動的要求不盡相同,如何為中高功率LED照明產(chǎn)品提供可靠、高效、靈活的驅(qū)動電源方案是設(shè)計人員常面臨的挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體積極推動高能效創(chuàng)新,充分利用在電源領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗,提供應(yīng)用于LED照明不同的領(lǐng)域。而針對中大功率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)動及LLC控制器、次級端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等,以滿足不同電路拓撲設(shè)計的不同需求。

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,只需單個開關(guān)及磁性元件,缺點則是100/120Hz紋波,MOSFET應(yīng)力更大,占空比更大,功率限制在100-150W。

單段式PFC結(jié)構(gòu)示意圖
圖1.單段式PFC結(jié)構(gòu)示意圖

典型的單段式PFC LED驅(qū)動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),以單段式拓撲結(jié)構(gòu)提供高功率因數(shù)設(shè)計。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)動器參考設(shè)計接受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%,最大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)動器NCL30001,可以配置為恒流驅(qū)動器或固定輸出電壓驅(qū)動器,適合40W到150W LED照明設(shè)計。

兩段式PFC + DC-DC轉(zhuǎn)換方案

除了上述單段式方案,設(shè)計人員還可以根據(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或者降壓實現(xiàn),其優(yōu)點是易于擴展功率和尺寸,易于提供次級端偏置電源,但相應(yīng)會帶來成本上的提升。

兩段式PFC結(jié)構(gòu)示意圖
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是增強型高壓、高能效待機模式功率因數(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。它集成跳周期功能,將待機損耗降到最低。

NCP1631則是安森美半導(dǎo)體推出的一款單芯片2相交錯式PFC控制器,可以替代2顆NCP1601,驅(qū)動2個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,負載減少時開關(guān)頻率上升,輕載時控制器可能進入“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,負載減小時開關(guān)頻率減小,降低噪聲,輕載時控制器頻率較低,可在高于可聽頻帶的頻率鉗位,極輕載時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,電路通常工作在臨界導(dǎo)電模式(CrM),而當電流低于預(yù)設(shè)值時,將開關(guān)頻率線性降低至約20 kHz,此時電流為零。NCP1615同樣基于CCFF架構(gòu),當電流在預(yù)設(shè)水平以下時,NCP1615芯片的控制頻率會線性衰減到26KHz。

電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)原理說明
圖3. 電流控制頻率反走(CCFF)架構(gòu)原理說明

[page]對于兩段式方案而言,在高壓DC-DC次級段,單開關(guān)反激架構(gòu)(圖4所示)能效高,設(shè)計簡單,但功率設(shè)計通常小于100W。安森美半導(dǎo)體作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的固定頻率及準諧振(QR)控制方案供應(yīng)商,提供的準諧振固定頻率反激控制芯片具備高壓啟動、QR谷底鎖定、強固的故障保護、寬產(chǎn)品系列(控制器最低6個引腳)等特點。從業(yè)內(nèi)率先推出第一代高壓準諧振反激控制芯片NCP1207/NCP1308,到第二代提供更多保護功能的NCP1337/NCP1338,再到第三代輕載能效大幅提升的NCP1380,直到最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。
高壓DC-DC次級端反激拓撲示意圖
圖4.高壓DC-DC次級端反激拓撲示意圖

而相對于其他諧振拓撲,LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(圖5所示)則能夠在相對寬的輸入電壓及輸出負責(zé)范圍下工作;所需元器件數(shù)量則更少,諧振儲能元件能夠集成到單個變壓器中;初級端開關(guān)在所有額定負載條件下能實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS);次級端二極管能夠?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)最小開關(guān)頻率精度達到±3%,可調(diào)節(jié)死區(qū)時間,帶外部可調(diào)節(jié)軟啟動,精密及高阻抗輸入欠壓保護,用于過溫或過壓等嚴重故障條件下閂鎖輸入腳,基于定時器的可自動恢復(fù)過流保護,閂鎖輸出短路保護,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20V,共集電極光耦連接,簡化Oring控制,內(nèi)置過溫關(guān)閉,600V半橋驅(qū)動器,帶1A/0.5A汲/源驅(qū)動能力,NCP1398B還提供反饋環(huán)路開路保護。
高壓DC-DC次級端LLC串聯(lián)諧振示意圖
圖5.高壓DC-DC次級端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CrMPFC控制器及一個半橋諧振控制器,并內(nèi)置600 V驅(qū)動器,針對離線電源應(yīng)用進行了優(yōu)化,采用SOIC16封裝,具備了所有實現(xiàn)高能效、小外形設(shè)計所需的特性。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態(tài)范圍,優(yōu)點則是簡化了固定電壓LED驅(qū)動器設(shè)計。


總結(jié)

LED照明正快速演變,新的驅(qū)動方案需要能夠配合市場上最新的LED應(yīng)用;同時為提升能效及降低系統(tǒng)總成本,拓撲結(jié)構(gòu)的選擇也在演變。為滿足中高功率LED照明驅(qū)動的需求,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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