安森美半導體中高功率照明LED驅動器方案

LED的諸多優點已經使其逐步取代白熾燈、螢光燈等傳統光源,在小功率應用上越來越多地出現在我們日常工作生活中,而在我們傳統定義的20至400 瓦的中高功率照明範圍內,螢光燈、高強度氣體放電燈還是主流。但隨著大功率LED產品的不斷推陳出新,模組化的LED燈條、大陣列LED等產品的出現,公路、體育館、戶外大型設施等需要大功率照明的應用場景中也越來越多出現LED產品的身影。

LED照明電路相對設計簡單、能集成控制、可方便實現調光、能有效降低電力消耗,所以在強調智慧、綠色照明的今天,中高功率LED產品逐步替代高強度氣體放電燈(HID)等傳統光源已經是大勢所趨。但我們也看到模組化的LED燈條和陣列對電源驅動的要求不盡相同,如何為中高功率LED照明產品提供可靠、高效、靈活的驅動電源配置是設計人員常面臨的挑戰。安森美半導體積極推動高能效創新,充分利用在電源領域的豐富經驗,提供應用於LED照明不同的領 域。而針對中大功率LED照明應用的不同需求,安森美半導體提供功率因數校正(PFC)控制器、准諧振及固定頻率的反激控制器和開關穩壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅動及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計的不同需求。

單段式功率因數校正(PFC)方案 功率因數校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線、斷路開關、電力設施帶來的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式(常見兩段式)兩種結構。 單段式(如圖1所示)可直接電流驅動,只需單個開關及磁性元件,缺點則是100/120Hz紋波,MOSFET應力更大,占空比更大,功率限制在 100-150W。

 

圖1.單段式PFC結構示意圖

 

典型的單段式PFC LED驅動方案有如安森美半導體的NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構,以單段式拓撲結構提供高功率因數設計。安森美半導體基於 NCL30000構建的25 W高功率因數單段式LED驅動器參考設計接受90-305Vac寬輸入電壓範圍,能效高於87%,輸入電流總諧波失真(THD)小於15%,功率因數 (PF)大於0.97,輸出功率25W(Vf=36Vdc),LED電流700mA±4%,最大LED電壓44Vdc。安森美半導體還推出了單段式連續電流模式(CCM) PFC LED驅動器NCL30001,可以配置為恒流驅動器或固定輸出電壓驅動器,適合40W到150W LED照明設計。

兩段式PFC + DC-DC轉換方案 除了上述單段式方案,設計人員還可以根據應用需求選擇傳統的兩段式(PFC段+DC-DC轉換段)方案(如圖2所示)。前段PFC的功能一方面實現輸入電 流整形以減小輸入電流諧波,另一方面將輸入交流電壓轉換為穩定的直流電壓(變化範圍一般為380V-400V),後段的DC-DC轉換器實現隔離和變換, 將穩定直流電壓變換為所需要的電壓,通常可以用反激、LLC或者降壓實現,其優點是易於擴展功率和尺寸,易於提供次級端偏置電源,但相應會帶來成本上的提升。

 

圖2.兩段式PFC結構示意圖

 

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控制器,工作在固定頻率非連續導電模式(DCM)和/或臨界導電模式(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。它集成跳週期功能,將待機損耗降到最低。

NCP1631則是安森美半導體推出的一款單晶片2相交錯式PFC控制器,可以替代2顆NCP1601,驅動2個PFC支路,提供接近1的高功率因數。

採用傳統的CrM/BCM控制時,負載減少時開關頻率上升,輕載時控制器可能進入「突發的調頻模式」,產生雜訊;採用電流控制頻率反走(CCFF) 控制時,負載減小時開關頻率減小,降低雜訊,輕載時控制器頻率較低,可在高於可聽頻帶的頻率鉗位元,極輕載時採用跳週期模式工作,可以關閉以提升更好的 THD,穀底導通進一步提升能效,減小電磁干擾(EMI)(如圖3所示)。NCP1611/NCP1612基於創新的CCFF架構,在PFC電感電流超過設定值時,電路通常工作在臨界導電模式(CrM),而當電流低於預設值時,將開關頻率線性降低至約20 kHz,此時電流為零。NCP1615同樣基於CCFF架構,當電流在預設水準以下時,NCP1615晶片的控制頻率會線性衰減到26KHz。

 

圖3. 電流控制頻率反走(CCFF)架構原理說明

 

對於兩段式方案而言,在高壓DC-DC次級段,單開關反激架構(圖4所示)能效高,設計簡單,但功率設計通常小於100W。安森美半導體作為業內領 先的固定頻率及准諧振(QR)控制方案供應商,提供的准諧振固定頻率反激控制晶片具備高壓啟動、QR穀底鎖定、強固的故障保護、寬產品系列(控制器最低6 個引腳)等特點。從業內率先推出第一代高壓准諧振反激控制晶片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,安森美半導體一直都在不斷努力,開發更 多滿足客戶更寬需求的晶片產品。

 

圖4.高壓DC-DC次級端反激拓撲示意圖

 

而相對於其他諧振拓撲,LLC串聯諧振轉換器(圖5所示)則能夠在相對寬的輸入電壓及輸出負責範圍下工作;所需元器件數量則更少,諧振儲能元件能夠 集成到單個變壓器中;初級端開關在所有額定負載條件下能實現零電壓開關(ZVS);次級端二極體能夠實現零電流開關(ZCS),沒有反向恢復損耗,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用中。

NCP1398作為第五代高性能LLC串聯諧振控制器,工作頻率可以從50kHz高至750kHz,可調節最小開關頻率精度達到±3%,可調節死區 時間,帶外部可調節軟啟動,精密及高阻抗輸入欠壓保護,用於過溫或過壓等嚴重故障條件下閂鎖輸入腳,基於計時器的可自動恢復過流保護,閂鎖輸出短路保護,on/off控制關閉輸入腳,跳週期模式,帶可調節遲滯,Vcc工作電壓達20V,共集電極光耦連接,簡化Oring控制,內置過溫關閉,600V半 橋驅動器,帶1A/0.5A汲/源驅動能力,NCP1398B還提供回饋環路開路保護。

 

圖5.高壓DC-DC次級端LLC串聯諧振示意圖

 

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,並內置600 V驅動器,針對離線電源應用進行了優化,採用SOIC16封裝,具備了所有實現高能效、小外形設計所需的特性。相比傳統途徑的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,局限在於大電容電壓的動態範圍,優點則是簡化了固定 電壓LED驅動器設計。

總結

LED照明正快速演變,新的驅動方案需要能夠配合市場上最新的LED應用;同時為提升能效及降低系統總成本,拓撲結構的選擇也在演變。為滿足中高功率 LED照明驅動的需求,安森美半導體提供了陣容廣博、相輔相成的方案,包括單段式PFC方案,以及PFC+DC-DC轉換的兩段式方案,滿足不同的中大功率LED照明應用的需求。

(文 / 安森美半導體提供)

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