基于NCL30000的高功率因數(shù)LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)方案

程宗慶

(重慶市城市照明管理局，重慶404100)

0 引言

近年來，世界上眾多國家致力于以更高能效的照明方案來替代低能效的白熾燈。而隨著發(fā)光二極管(LED)在發(fā)光性能及成本等各方面的改進(jìn)，LED在通用照明領(lǐng)域已經(jīng)成為極其引人注目的解決方案。從供電電源來看，LED照明也包括高壓AC-DC、中等電壓AC-DC或DC-DC以及電池供電等不同類型。文章將著重探討用于低功率(一般低于30 W)AC-DC LED通用照明應(yīng)用的驅(qū)動器方案及其在PAR30、A型燈等應(yīng)用中的示例。

1 AC-DC電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

對于低功率AC-DC LED電源轉(zhuǎn)換而言，可以選擇隔離型反激或非隔離降壓等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所謂“隔離”，是指輸入與輸出之間采用變壓器等進(jìn)行電氣隔離。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)。相比而言，非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電路板配置簡單、電路板尺寸小、元件數(shù)量少、能效更高，而隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于滿足安規(guī)要求，但磁學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求較大的電路板尺寸。文章將聚集于隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC－DC LED驅(qū)動器方案。

2 LED驅(qū)動器應(yīng)用要求

對于LED通用照明應(yīng)用而言，目前成本還相對較高，故高性價比的LED驅(qū)動器無疑會更受青睞。此外，LED驅(qū)動器也應(yīng)該具有高能效(低損耗)、高可靠性、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量或功率因數(shù)(PF)等標(biāo)準(zhǔn)，以及靈活、適應(yīng)寬環(huán)境條件、可改造用于已有應(yīng)用、支持傳統(tǒng)控制方式工作(兼容傳統(tǒng)調(diào)光)等特點(diǎn)。

其中，就功率因數(shù)要求而言，美國“能源之星”項(xiàng)目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對PFC帶有強(qiáng)制性要求(而無論是何種功率等級)，適用于特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈等。該標(biāo)準(zhǔn)針對住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0．7，針對商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0．9，而整體式LED燈泡的要求是輸入功率高于5W的燈泡功率因數(shù)大于0．7。當(dāng)然，并非所有國家都絕對強(qiáng)制要求在照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求。例如，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)可能大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用。

3 提供高功率因數(shù)的NCL30000隔離型LED驅(qū)動方案

要提供高功率因數(shù)，同時符合其他應(yīng)用要求，就有必要使用高功率因數(shù)的電路架構(gòu)。這樣一來，傳統(tǒng)的兩段式架構(gòu)(PFC升壓+脈寬調(diào)制PWM反激轉(zhuǎn)換)就無法滿足要求。有利的是，諸如NCL30000功率因數(shù)校正可調(diào)光LED驅(qū)動器采用單段式架構(gòu)(見圖1)，可以提供達(dá)0．9甚至更高的功率因數(shù)。這器件采用緊湊的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供大于0．95的高功率因數(shù)，省下專門的DC－DC轉(zhuǎn)換電源段，幫助減少元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)總成本。

NCL30000采用的恒定導(dǎo)通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED(見圖2)應(yīng)用，因?yàn)榭刂圃砗唵?，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效。NCL30000工作溫度范圍為－40℃ ～125℃，確保能用于大多數(shù)LED通用照明應(yīng)用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。NCL30000擁有典型值24 μA的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設(shè)計(jì)。這器件也集成前沿消隱(LEB)電路，防止故障觸發(fā)，還集成強(qiáng)大的故障處理能力。

圖1 傳統(tǒng)兩段式架構(gòu)與改進(jìn)的單段式架構(gòu)對比

圖2 基于NCL30000的隔離型反激LED驅(qū)動器GreenPoint參考設(shè)計(jì)簡化框圖

4 配合TRIAC調(diào)光

除了要提供相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所要求的高能效及高功率因數(shù)，考慮特定的終端應(yīng)用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調(diào)控方法是三端雙向可控硅開關(guān)器件(TRIAC)調(diào)光。但TRIAC調(diào)光器原本針對電阻型負(fù)載的白熾燈(白熾燈在電路中的作用就象是電阻)。因此，LED驅(qū)動器兼容TRIAC調(diào)光器也很重要，這樣有利于用戶沿用已有壁式TRIAC調(diào)光器，節(jié)省支出。

有利的是，NCL30000兼容尾沿晶體管調(diào)光器及前沿TRIAC調(diào)光器，能夠提供高于0．95的高功率因數(shù)，使輸入電流波形看上去像是電阻型負(fù)載的波形。這對兼容TRIAC調(diào)光器非常重要，因?yàn)槭静ㄆ鹘厝〉牟ㄐ物@示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的NCL30000單段式CrM反激LED驅(qū)動器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相(見圖3)。

5 演示板能效測試結(jié)果

NCL30000開發(fā)了目標(biāo)功率低于18 W、支持4至15顆LED@350 mA且支持TRIAC調(diào)光(針對12顆LED進(jìn)行預(yù)配置)的參考設(shè)計(jì)演示電路板。輸入電壓范圍為90～305 Vac的NCL30000演示電路板的能效測試結(jié)果顯示，寬輸入電壓范圍下的功率因數(shù)達(dá)到或超過0．95(圖3上圖)，且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩(wěn)流效果和高能效(圖3下圖)。

圖3 演示板測量能效結(jié)果(上圖:輸入電流THD及功率因數(shù);下圖:負(fù)載穩(wěn)流及能效)

6 應(yīng)用示例

對于LED照明應(yīng)用而言，燈泡替代是重要的應(yīng)用領(lǐng)域，如拋物型滲鋁反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型燈替代(如A19)等。但燈泡替代應(yīng)用存在獨(dú)特挑戰(zhàn)，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調(diào)光技術(shù)等。

圖4 基于NCL30000的11 WLEDPAR30燈泡改造示例

以PAR30燈泡替代應(yīng)用為例(見圖4)，《11 W TRIAC可調(diào)光PAR30 LED燈泡驅(qū)動器》(AND 8463/D)采用NCL30000單段式功率因數(shù)校正隔離型反激控制器來設(shè)計(jì)LED PAR30燈的完整電源轉(zhuǎn)換方案，用于驅(qū)動串聯(lián)－并聯(lián)配置的3串共24顆LED(每串8顆LED，每串電流150 mA，3串共450 mA)。使用市場上購得的LED散熱片和E27 Edison底座，有效處理散熱及尺寸受限問題。此設(shè)計(jì)的目標(biāo)輸出功率為11 W，包含115 Vac版本(功率因數(shù)高于0．9，輸入電流THD＜20%)和230 Vac(遵從IEC 61000-3-2規(guī)范)兩種版本，LED電流穩(wěn)流精度達(dá)±5%，LED電壓范圍21～27 Vdc，能效高于82%，兼容TRIAC及電子低壓調(diào)光器調(diào)光，且遵從FCC B類導(dǎo)電型EMI標(biāo)準(zhǔn)。

PAR30燈泡是特定指向照明的一個示例?，F(xiàn)實(shí)中也存在許多全向照明應(yīng)用，如A型燈。LED A型燈以標(biāo)準(zhǔn)A型燈尺寸來替代傳統(tǒng)A型白熾燈，是商業(yè)及住宅照明應(yīng)用的極佳節(jié)能替代解決方案，不僅更環(huán)保，而且更易于維護(hù)和替代。傳統(tǒng)白熾燈存在不同功率等級，如40 W(光輸出約450 lm)或60 W(光輸出約600～800 lm)。如今一流的暖白光LED的光效處在100 lm/W范圍內(nèi)?？紤]到熱效應(yīng)及光電轉(zhuǎn)換效率，要提供450 lm光輸出，大約需要5～7顆LED。

有利的是，臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正控制器NCP1607應(yīng)用于A19燈泡LED驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)(見圖5)。設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍為90～265 Vac，額定輸出功率約為6．4 W(16．5@400 mA)，采用隔離型單段式設(shè)計(jì)，在輸入電壓范圍內(nèi)功率因數(shù)高于0．9，能效高于80%，符合IEC 61000-3-2 C類諧波含量標(biāo)準(zhǔn)(輸入THD＜15%)，遵從FCC B類導(dǎo)電型輻射標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時即顧及到了UL 8750LED照明設(shè)備產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，并符合“能源之星”針對整體式LED燈泡的1．1版規(guī)范要求。

7 小結(jié)

此設(shè)計(jì)方案首先有效地提高了驅(qū)動器的功率因數(shù)，使之達(dá)到0．95以上，有利于減低線路損耗，與傳統(tǒng)驅(qū)動器相比，減少了元件的數(shù)量，進(jìn)而有效地提高驅(qū)動器的可靠性，降低了故障率，并對提高LED的光效，增強(qiáng)其散熱效率均有積極的作用。

圖5 基于NCP1607的高功率因數(shù)A19燈泡E26/E27驅(qū)動器方案

［1］ 趙磊，李遠(yuǎn)達(dá)．照明節(jié)能方法研究［J］．電子科技，2011，24(3):122～124

［2］ 王維平．現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用［M］．南京:東南大學(xué)出版社，2001

［3］ 周志敏．開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:人民郵電出版社，2004:40～46