基于NCL30000單級反激式LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

余 飛，許維勝

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804

基于NCL30000單級反激式LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

余 飛，許維勝

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804

NCL30000是一款應(yīng)用于中小功率場合的單級功率因數(shù)(PF)校正LED驅(qū)動(dòng)器。這款芯片采用恒定導(dǎo)通時(shí)間模式（CrM）控制，特別適合于隔離型反激LED應(yīng)用，且與標(biāo)準(zhǔn)的三端可控硅（TRIAC）調(diào)光器兼容。本文主要介紹了NCL30000的特點(diǎn)和基于該芯片的TRIAC可調(diào)光離線反激式LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。

NCL30000； LED驅(qū)動(dòng)器 ；反激式 ； TRIAC調(diào)光

0 引言

NCL30000是美國安森美公司（ON Semi）研發(fā)的一款適用于中小功率場合的單級功率因數(shù)校正(PFC)型LED驅(qū)動(dòng)器。它使得LED驅(qū)動(dòng)電路的PFC級和DC/DC級可以共用一個(gè)控制器和一個(gè)功率開關(guān)，使電路的元器件大大減少，并且能達(dá)到很高功率因數(shù)和能效，符合美國“能源之星”商業(yè)及住宅照明應(yīng)用要求。

隨著LED燈逐步進(jìn)入通用照明市場，兼容已有的調(diào)光設(shè)備顯得十分重要。如果利用傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)羧穗p向可控硅（TRIAC)調(diào)光器對LED進(jìn)行調(diào)光 ,不僅會(huì)出現(xiàn) 100Hz/120Hz的閃爍 ,而且不能獲得較大的調(diào)光范圍。NCL30000 的臨界導(dǎo)通模式和可編程導(dǎo)通時(shí)間限制功能，使得允許利用標(biāo)準(zhǔn)TRIAC調(diào)光器對LED進(jìn)行寬范圍的平穩(wěn)無閃爍調(diào)光，拓展了LED燈的應(yīng)用范圍。

1 控制器NCL30000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)功能

1.1 NCL30000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

NCL30000作為單級PFC型LED驅(qū)動(dòng)器，采用電壓模式控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件內(nèi)部集成有可編程導(dǎo)通時(shí)間限制器、零電流檢測（ZCD）感測模塊、門驅(qū)動(dòng)器，以及應(yīng)用臨界導(dǎo)通模式（CrM）開關(guān)電源所需的全部其它脈寬調(diào)制（PWM）電路和保護(hù)功能。NCL30000 擁有典型值為24μA的低啟動(dòng)電流及典型值2mA的低工作電流，從而保證對Vcc電容快速，低損耗的充電，配合高能效設(shè)計(jì)。過流保護(hù)設(shè)置在500mV減少了在電流感應(yīng)電阻上的功率消耗。NCL30000工作溫度范圍為-40℃至+125℃，確保能用于大多數(shù)固態(tài)照明（SSL）應(yīng)用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。

1.2 NCL30000的控制功能

1.2 .1 導(dǎo)通時(shí)間控制

導(dǎo)通時(shí)間控制電路包括一個(gè)精密的電流源，在得到MOSFET導(dǎo)通信號后，通過給外部電容Ct充電，使其電壓逐漸抬高。該電壓與控制電壓Vcontrol比較，當(dāng)Ct上的電壓值超過Vcontrol，則關(guān)斷MOSFET并使Ct放電。

Vcontrol的值取決于外部控制環(huán)路，與輸入電壓有效值和輸出負(fù)載有關(guān)。為了得到很高的功率因數(shù)，Vcontrol值必須在半個(gè)線電壓周期內(nèi)保持穩(wěn)定（即控制環(huán)路帶寬必須較低）。

1.2 .2 零電流檢測

反激式開關(guān)電源在功率MOS管導(dǎo)通時(shí)，能量儲存在變壓器的主邊。當(dāng)MOS管被關(guān)斷時(shí)，能量被傳遞到變壓器次級繞組和偏置繞組。由于芯片工作在臨界導(dǎo)通模式下，故包含一個(gè)零電流檢測（ZCD）模塊。當(dāng)芯片檢測到RZCD上的電流為零時(shí)，使MOS管重新導(dǎo)通，開始下一個(gè)周期。為了防止觸發(fā)錯(cuò)誤，ZCD引腳采用了雙比較器結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)引腳電壓大于1.4V再低于0.7V之后才會(huì)使觸發(fā)器置位。

圖1 NCL3000內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 基于NCL30000的可調(diào)光離線式LED驅(qū)動(dòng)電路

圖2為一種基于NCL30000的TRIAC調(diào)光離線式LED驅(qū)動(dòng)電路。這種AC-DC恒流驅(qū)動(dòng)電路主要含有以下幾個(gè)部分，即 TRIAC調(diào)光器，單級PFC控制電路，變壓器，恒流恒壓（CC/CV）反饋控制電路。整個(gè)系統(tǒng)的核心是NCL30000。下面將介紹該電路的工作原理。

2.1 TRIAC調(diào)光器

在圖2中，串聯(lián)在橋式整流器BR1輸入端上的TRIAC調(diào)光器電路如圖3（a）所示。這種標(biāo)準(zhǔn)TRIAC調(diào)光器電路，主要由 R1，R2，C1 和雙向觸發(fā)二極管（DIAC）及TRIAC 組成，其調(diào)光波形如圖3（b）所示。R1 , R2 和C1值決定調(diào)光器的延遲。調(diào)節(jié)電位器 R1 ，使滑動(dòng)片向下移動(dòng)，則將增加導(dǎo)通延時(shí)，而使導(dǎo)通角 θ減小，LED亮度則變暗。這種相控調(diào)光器以前主要用于白熾燈調(diào)光。而相對于白熾燈的阻性負(fù)載，LED的容性負(fù)載特性使得使用TRIAC調(diào)光變得困難。

圖2 基于NCL30000的離線式LED驅(qū)動(dòng)電路

圖3 TRIAC調(diào)光器電路及其波形

與一般的PWM調(diào)光芯片采用的導(dǎo)通角檢測電路不同，NCL30000采用的是檢測輸入電壓的有效值（input RMS Voltage），以限制輸出功率的方式來進(jìn)行調(diào)光。但是該系統(tǒng)具有反饋控制環(huán)路，保證輸出功率的穩(wěn)定，故為實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，LED驅(qū)動(dòng)器將具有兩種不同的控制模式。當(dāng)調(diào)光器未調(diào)光時(shí)，電路將工作在副邊控制模式下（Secondary Control），從而為LED燈提供穩(wěn)定的電流，當(dāng)調(diào)光器開始調(diào)光后，即導(dǎo)通角度開始逐漸減小，系統(tǒng)將工作在開環(huán)模式下，進(jìn)入原邊控制模式（Primary Control），并限制功率的輸出。為了達(dá)到這個(gè)目的，系統(tǒng)的導(dǎo)通時(shí)間和輸入電壓成反比關(guān)系，并且當(dāng)輸入電壓開始低于設(shè)定的調(diào)光電壓時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間將達(dá)到最大，并且不再變化，這就是芯片的最大導(dǎo)通時(shí)間控制（maximum on-time control）功能。由此可見，最大導(dǎo)通時(shí)間控制電容C9的值的選擇顯得十分關(guān)鍵。C9的值和調(diào)光初始電壓和負(fù)載有關(guān)。公式（1）提供了一個(gè)它的近似值

其中，Lpri是變壓器主邊電感，Po輸出功率，Icharge和VCT（MAX）由芯片自身特性決定，η’是變壓器傳輸效率，Vpk是設(shè)定調(diào)光電壓的峰值，N是變壓器匝數(shù)比，Vout是輸出電壓。

2.2 單級PFC電路和反饋控制電路

系統(tǒng)的工作原理如下，當(dāng)電源接通時(shí)，主電路通過電阻R12給芯片的旁路電容C8充電，當(dāng)芯片達(dá)到啟動(dòng)電壓后開始工作，輔助繞組開始工作，為控制部分供電。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，由于次級繞組無法構(gòu)成回路，變壓器原邊無法向副邊和輔助繞組供電，相當(dāng)于電感，儲存能量；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊與功率電路斷開，并向次級繞組和輔助繞組供電。

次級采用恒流恒壓雙環(huán)控制。NCS1002是一款恒流恒壓次級端控制器（Constant Voltage/Constant Current Secondary Side Controller）。它的內(nèi)部框圖如圖4所示。它內(nèi)部集成了一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)和兩個(gè)高精度的運(yùn)放。電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放1是電壓控制環(huán)路的核心。運(yùn)放2則是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)放，用于電流控制。

電壓控制環(huán)路用于保證輸出電壓穩(wěn)定。電流反饋控制環(huán)路檢測LED平均電流，即R29上的電流，將其轉(zhuǎn)換成電壓和2.5V基準(zhǔn)比較，并將誤差反饋到NCL30000中來調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，以保證電流輸出穩(wěn)定。為了得到足夠高的功率因數(shù)， 控制環(huán)路的帶寬必須足夠低，以保證導(dǎo)通時(shí)間在線電壓半個(gè)周期內(nèi)足夠穩(wěn)定。因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)間取決于傳輸?shù)阶儔浩鞯哪芰亢拓?fù)載，因此開關(guān)頻率是不斷變化的。線電壓和頻率的關(guān)系如圖5所示。

圖4 NCS1002內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖5 線電壓與頻率的關(guān)系（設(shè)置90Vac時(shí)的頻率為39KHZ）

3 結(jié)論

NCL30000是含有TRIAC調(diào)光功能的單級功率因數(shù)校正型LED驅(qū)動(dòng)器?；贜CL30000的離線反激式LED驅(qū)動(dòng)電路，大大減少了元器件的數(shù)目，結(jié)合系統(tǒng)工作在臨界導(dǎo)通模式下，使得系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較高，即使輸入電壓在很大的范圍波動(dòng)時(shí)，仍然有比較穩(wěn)定的輸出，很適合用于中小功率場合。

[1]On Semiconductors.NCL30000 Power Factor Corrected Dimmable LED Driver.http://www.onsemi.cn，2010.

[2]On Semiconductors. NCL30000LED1GEVB/D.http://www. onsemi.cn，2010.

[3]LED TRIAC 調(diào)光方案實(shí)現(xiàn)簡易的傳統(tǒng)照明方案替代.電子 工程專輯，2009，6.

TN7

A

1674-6708（2010）28-0222-02

余飛，碩士研究生，研究方向：功率電路設(shè)計(jì)