對應不同功率的各種LED驅動電源方案

　　近年來，高亮度發光二極管(HB-LED)市場快速發展。LED光效不斷增高，平均每流明光輸出的成本也持續下降，使其應用范圍不斷拓寬，除了已經在屏幕尺寸小于4英寸的便攜設備背光及體育場館大型顯示屏等應用中占據主導地位，更向汽車、中大尺寸液晶顯示器(LCD)背光及通用照明等市場滲透，發展前景非常可觀。

　　以電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等通用照明市場為例，據估計，當前LED照明(或稱固態照明，英文簡稱SSL)的應用比例低于1%，2008年LED驅動器及相關分立器件的市場規模(SAM)僅為約6.88億美元，預計到2012年市場規模將增長至13.08億美元，年復合增長率高達17.4%。因此，LED通用照明成為熱點市場。

　　本文旨在探討LED通用照明市場不同功率范圍及不同電源供電應用的要求，以及適用的LED驅動器及相關元器件，幫助照明設計工程師盡擇適合的元器件方案，加快上市進程。

　　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80 W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12 W之間，中等功率涵蓋8到40 W范圍，大功率應用的功率常高于40 W。

　　1)1 W至8 W LED通用照明應用要求及方案

　　在1 W到8 W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264 V之間，恒流輸出電流包括350 mA和700 mA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(65/100/130 kHz)電流模式控制器和700 V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自供電功能(無需輔助繞組)等。

　　值得一提的是，NCP1015在1 W到8 W 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，提高系統能效及電路性能。

　　圖1：基于安森美半導體NCP1015的1至8 W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。

　　2)8 W至25 W LED通用照明應用要求及方案：無PFC與有PFC

　　在8 W-25 W 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校正(PFC)。另一方面，美國能源部(DOE)“能源之星”固態照明(SSL)規范規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動器功率因數須大于0.7，而商業應用中則須大于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8 W到25 W 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350 mA、700 mA及1 A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8-15/25 W 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800 mA峰值電流，還提供過功率保護、內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15 W的輸出功率。除了基于NCP1028的無PFC方案，安森美半導體現也提供基于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8 W到25 W 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格為90至264 Vac，能效要求80%，支持350 mA、700 mA及1 A恒流輸出，提供短路及過壓保護，功率因數要求高于0.9。這類應用適合采用安森美半導體的NCL30000單段式功率因數校正LED驅動器。單段式拓撲結構省下專用PFC升壓段，減少元器件數量，幫助降低系統總成本。NCL30000提供高于0.9的功率因數，滿足IEC C類諧波含量要求。這器件能夠直接驅動LED，帶精確恒流輸出控制，在5至15 W的較低輸出功率時能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等現有調光方案。

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

　　3)50 W至200 W LED通用照明應用要求及方案

　　功率高于50 W的AC-DC LED應用廣泛用于街道照明及大功率區域照明，可以采用不同的LED方案，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范圍。假定其輸入電壓規格為90--264 Vac，功率因數高于0.9，能效大于85%，提供短路及過壓保護，及350 mA、700 mA和1 A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，這是一款電流連續模式(CCM)控制器，用于40 W到150 W功率范圍的單段式功率因數校正LED驅動器。這器件支持20到250 kHz的可調節開關頻率，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49 W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，從而充分發揮零電壓開關(ZVS)的優勢。有利的是，安森美半導體早已著手開發能用于LED驅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內置高端和低端驅動器，支持可調節及精確的最低頻率，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，同樣可以根據不同功率范圍來展開討論。

　　4)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，可以采用安森美半導體的CAT4201降壓LED驅動器。這器件擁有專利的開關控制架構，可驅動7顆串聯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。 圖5：CAT420