安森美半導體用於LED燈泡等應用的NCL3008x高能效初級端穩流方案

近年來,世界上多個國家制定政策以分階段淘汰白熾燈泡。如中國計劃於2015年60W 以上普通照明用白熾燈泡全部淘汰。螢光燈及緊湊型螢光燈(CFL)的能效比白熾燈高,但含劇毒物質汞,存在環保顧慮。相比較而言,具備環保優勢、近年來成本穩步下降的高亮度白光LED技術已經快速改進,如今在光輸出方面已可與CFL等正面交鋒,並且還大幅提升能效及延長使用壽命,適合於白熾燈泡替代等LED通用照明應用。

LED燈泡的驅動挑戰及常見驅動方法

大多數LED是低壓器件,最適合採用恆定電流驅動。要在通用照明應用中最大限度發揮LED節能優勢,就要採用適合的LED驅動電路。


以LED燈泡為例,典型的LED燈泡包含LED陣列、驅動電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件。就驅動電路而言,高能效LED驅動器IC無疑是其中的重點。因為LED燈泡的形狀固定,散熱受限,採用高能效LED驅動器則可幫助將更多電能轉化為光能,幫助散熱。此外,由於LED燈泡空間有限,故須減小驅動電子電路的尺寸以使剩餘空間增多,同時增大散熱片面積;較大功率的燈泡尤為如此。不僅如此,LED正在發生迅速變化,提供多種選擇,這對LED驅動器的選擇也構成了挑戰。出於安規、LED選擇等因素,設計人員還須考慮是採用隔離還是非隔離拓撲結構,由此也影響到LED驅動器的選擇。

一種常見的LED驅動器拓撲結構是隔離型反激(見圖2)。這種拓撲結構除了提供電氣安全隔離以外,還能對LED串要求的電流進行穩流。安全低壓次級端的電路感測LED電流及電壓,並在安全界限內提供反饋信號,以控制電源轉換過程。次級端元件包括偏置電路、雙運算放大器、精密參考、用於反饋的光耦,以及用於監測LED電流及感測過壓保護故障的電流及電壓感測電阻等。


這種經典方案的優勢與缺點並存。例如,它可以輕易地實現高精度的穩流,且能夠在寬工作範圍及製造差異條件下可靠地工作。但這種方案的次級端控制電路消耗電能,由於此電能未轉化為光,故降低了能效。此外,次級端的元器件在印製電路板上佔用空間並增加成本。最後,如果次級端任何元件有故障,仍須把驅動器設計成就算有故障也保安全。

克服經典方案缺點的新穎的初級端穩流技術

有利的是,設計人員可以選擇一種新的控制架構,將所要求的LED穩流功能從次級端移到初級端,即採用初級端穩流(PSR)技術(亦稱「初級端控制」),見圖3。初級端穩流方案無須光耦,以及次級端恆流恆壓(CCCV)控制環路元件,如運算放大器、TL431或齊納參考、偏置穩壓器、電流感測電阻及用於過壓保護的電壓感測等,同時在初級端維持高穩流精度。這就提供減少元件數量、簡化PCB布線、節省電路板空間、簡化LED選擇、提升能效及輕易符合安規等諸多優勢。據統計,設計人員通過消除次級端控制,能夠省去佔用寶貴電路板空間的16至18顆甚或更多元件,這對A19 LED燈泡等應用尤為重要。

 

安森美半導體應用初級端穩流技術的NCL3008x系列LED驅動器功能及優勢

安森美半導體的NCL3008x系列准諧振初級端電流模式控制器使用初級端穩流技術,為反激及非隔離降壓-升壓拓撲結構提供高精度的恆定電流,非常適合於LED照明應用。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083。這些器件提供TSOP-6及Micro-8封裝,還可根據客戶需求提供SOIC-8封裝。NCL3008x系列提供0.8至0.9甚至更高的功率因數,符合美國「能源之星」對輸入功率大於5 W之燈泡功率因數高於0.7的要求。這些器件的引腳數量及功能不盡相同,分別針對不同的細分應用,詳見表1。

NCL3008x系列的關鍵優勢包括:

1)一流的初級端穩流精度。由於初級端穩流精度高,能夠補償線路輸入電壓變化,不受常規變壓器製造差異影響,可簡化LED的選擇(無須使用過高規格/過高成本的元件來滿足流明輸出要求),能支持2:1輸出正向電壓變化(無須對LED進行編碼,可將一個驅動器設計用於多種產品,且在LED性能提升後還能使用相同的驅動器);

2)採用准諧振模式工作以提供高能效,僅產生少量電磁干擾(EMI);

3)提供強固的保護特性,如過壓保護/LED開路保護、次級端二極管短路保護、過熱關閉、輸入欠壓保護、軟啟動、短路保護、短路電流感測、提供閂鎖及自動恢復版本等。

4)靈活的產品系列。提供不同功能組合,配合用戶不同應用需求。


這些器件中,NCL30080是簡單及低BOM成本版本,NCL30081則增加了5步准對數調光功能。NCL30082具備熱反走/過壓保護及模擬/數字調光功能,還增加了5步准對數調光及軟啟動功能。


基於NCL3008x系列的A型燈LED驅動器參考設計示例

安森美半導體開發了基於NCL3008x系列的多種LED A型燈參考設計。測試顯示,這些設計提供高穩流精度、高功率因數及高能效。

1)基於NCL30082B1的初級端反饋、高功率因數、TRIAC可調光A型燈LED驅動器設計


2)基於NCL30080的初級端反饋、反激拓撲結構A型燈LED驅動器設計

 


 

3)基於NCL30082/3的初級端反饋、分步調光、反激A型燈LED驅動器設計


總結:

安森美半導體針對交流供電LED照明應用開發了專有的初級端恆流控制技術,並應用在NCL3008x系列目前已有的4款高能效諧振模式初級端控制器上。這系列產品提供多種應用優勢,能夠幫助設計減少元件數量、節省電路板空間、提升能效、簡化LED選擇及提供高能效,且提供優化的功能組合,以應對客戶不同應用需求。

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