符合“能源之星”標準的離線型LED驅動器參考設計

設計過程
較高的開關頻率可以減小變壓器尺寸，但同時會增加開關損耗。本參考設計選擇了100 kHz版本的NCP1014作為平衡點。這個單片轉換器的能效預計約為75%，因此，要提供8 W輸出功率，預計需要10.6 W的輸入功率。輸入工作電壓范圍是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半導體的動態自供電(DSS)電路，藉減少元件數量簡化了啟動。這集成控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區域會散熱并降溫。當轉換器工作時，反激變壓器上的偏置繞組會關閉DSS，降低轉換器的功耗。較低的工作溫度使更多的電能可以提供給負載。

1)電磁干擾(EMI)濾波器
開關穩壓器從輸入源消耗脈沖電流。有關諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成，可以削弱不良信號。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓呈90的異相電流導通，這種轉移電流通過位移輸入電壓與電流之間的相位降低了功率因數，故需要在濾波需求與維持高功率因數之間取得平衡。

根據電磁干擾的屬性及濾波器元件的復雜特性，電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用于提供L-C濾波器頻率，約為開關頻率的1/10。所使用的電感值是：

實際設計中選擇的是2.7 mH電感，這是一個標準電感值。基于這個起點，根據經驗來調節濾波器以符合傳導干擾限制。電容C2增加到了220 nF，從而提供干擾限制余量。電阻R1限制浪涌電流，并在出現故障時提供易熔元件。根據應用環境的不同，可能需要熔絲來滿足安全要求。注意在初級總電容較小的情況下浪涌電流較小。

2)初級鉗位
二極管D5、電容C3和電阻R2組成鉗位網絡，控制由反激變壓器泄漏電感造成的電壓尖峰。D5應當是一個快速恢復器件，額定用于應對峰值輸入電壓及反射到變壓器初級上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復二極管是D5的適宜選擇。電容C3必須吸收泄漏的能量，同時電壓只有極小的增加，1.5 nF的電容足以用于這類低功率應用。電阻R3必須耗散泄漏的能量，但并不必須會降低能效。該電阻根據經驗選擇47 kΩ。需要注意的是，該電阻和電容C3的額定電壓是125.5 V。

3)偏置電源
二極管D6對偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時額定電壓為100 V的MMBD914二極管是D6的適宜選擇。初級偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來濾波。選擇的C5為2.2 µF，C4為0.1 µF，R3為1.5 kΩ。

4)輸出整流器
輸出整流器必須承受遠高于630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V，整流器峰值電壓為93.2 V。所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320，提供低正向壓降及快開關時間。2,000 µF的電容將輸出紋波電流限制在25%，或是峰-峰值144 mA。

5)電流控制
通過監測與輸出串聯的感測電阻RSENSE的壓降，維持恒定的電流輸出。電阻R11連接感測電阻至通用PNP晶體管Q1的基極-射極結。當感測電阻上的壓降約為0.6 V時，流過R11的電流偏置Q1，使其導通。Q1決定了流過光耦合器U2的LED的電流，并受電阻R4限制。光耦合器U2的晶體管為NCP1014提供反饋電流，控制著輸出電流。

設定輸出電流Iout=630 mA則要求感測電阻RSENSE=0.85 Ω。感測電阻由4顆并聯的元件R6、R7、R8和R9組成，選擇R6和R7的阻值為1.8 Ω，選擇R8的阻值為10 Ω，而讓R9開路，從而產生約0.83 Ω的總感測電阻。

6)功率因數控制
在本電路中維持高功率因數有賴于緩慢的反饋響應時間，僅支持給定輸入電源半周期內反饋電平略有改變。對于這種電流模式的控制器件而言，最大峰值電流在半周期內幾乎保持恒定。與傳統反饋系統相比，這就改善了功率因數。電容C6提供慢速的環路響應，抑制NCP1014的內部18 kΩ上拉電阻及來自反饋光耦合器晶體管的電流。從經驗來看，電容C6確定在22 µF至47 µF的范圍之間。

7)變壓器
本LED驅動器要求的最低輸入電壓為90 Vac，相應的峰值為126 Vac，在輸出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的條件下，計算出的峰值電流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的開關頻率(fSW)值，計算出初級電感(Ip)=1858 µH。

這個功率等級適合選擇窗口面積(Ac)為0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度設定為3 kG，可以計算出的初級匝數為105匝(T)。輸出電壓限制為22 V，用于開路負載事件下的保護。為了提供一些輸出電壓余量及降低占空比，輸出電壓值增加50%，達到33 V。次級最小匝數(Ns)將是約20匝。

NCP1014需要最低8.1 V的電壓，使轉換器工作時DSS功能免于激活。最低LED電壓設計為12.5 V，初級偏置繞組匝數(Nb)約為13匝。

8)開路保護
齊納二極管提供開路負載保護。開路電壓由二極管D8電壓、電阻R4壓降及光耦合器LED電壓之和確定。所選擇的齊納二極管D8的額定電壓為18 V。

9)泄漏電阻器及濾波器
電阻R10及電容C10提供小型的放電通道，并過濾輸出噪聲。

10)模擬調光
本參考設計包含一個可選的控制部分，以實現模擬電流調節的調光。出于這個目的，可以增加電阻R12、R14、R15、二極管D9、晶體管Q2等元器件從及至電位計R13的連接。本設計所選擇的電阻R12的阻值為1 kΩ，調光電位計R13為10 kΩ，R14為820 Ω，R15為1 kΩ。

11)電容壽命
LED照明的其中一項考慮因素是驅動器與LED應當具有相當的工作壽命。雖然影響電源可靠性的因素眾多，但電解電容對任何電子電路的整體可靠性至關重要。有必要分析本應用中的電容，并選擇恰當電解電容，從而提供較長的工作壽命。電解電容的可用壽命在很大程度上受環境溫度及內部溫升影響。本參考設計選擇的電容是松下的ECA-1EM102，額定值為1000 µF、25 V、850 mA、2,000小時及85℃。在假定50℃環境溫度條件下，這電容的可用壽命超過12萬小時。

測試結果
相關測試數據是NCP1014LEDGTGEVB評估板在負載為4顆LED、工作電流約為630 mA條件下測得的，除非另行有說明。圖3及圖4是不同條件下的能效測量數據。圖5顯示的是不同線路電壓條件下的功率因數。需要指出的是，輸入電壓在90 Vac至135 Vac范圍內時，功率因數高于0.8，遠高于“能源之星”的LED住宅照明應用功率因數要求。

總結：
“能源之星”標準為固態照明提供了量化要求，使LED驅動器面臨一些新的要求，如功率因數校正。這就要求新穎的解決方案來滿足這些要求，同時還不會增加電路復雜性及成本。本文結合優化的NCP1014LEDGTGEVB評估板，介紹了安森美半導體的離線型8 W LED驅動器參考設計的設計背景、解決方案及設計過程，并分享了相關能效及功率因數測試結果，顯示這參考設計提供較高的能效，符合“能源之星”固態照明標準的功率因數要求，非常適合這類低功率LED照明應用。