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安森美方案应对中高功率LED照明驱动需求
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
LED的诸多优点已经使其逐步取代白炽灯、荧光灯等传统光源,在小功率应用上越来越多地出现在我们日常工作生活中,而在我们传统定义的20至400瓦的中高功率照明范围内,荧光灯、高强度气体放电灯还是主流。但随着大功率LED产品的不断推陈出新,模块化的LED灯条、大阵列LED等产品的出现,公路、体育馆、户外大型设施等需要大功率照明的应用场景中也越来越多出现LED产品的身影。

LED照明电路相对设计简单、能集成控制、可方便实现调光、能有效降低电力消耗,所以在强调智能、绿色照明的今天,中高功率LED产品逐步替代高强度气体放电灯(HID)等传统光源已经是大势所趋。但我们也看到模块化的LED灯条和阵列对电源驱动的要求不尽相同,如何为中高功率LED照明产品提供可靠、高效、灵活的驱动电源方案是设计人员常面临的挑战。安森美半导体积极推动高能效创新,充分利用在电源领域的丰富经验,提供应用于LED照明不同的领域。而针对中大功率LED照明应用的不同需求,安森美半导体提供功率因数校正(PFC)控制器、准谐振及固定频率的反激控制器和开关稳压器、集成MOS的降压控制器、半桥驱动及LLC控制器、次级端控制器、集成PFC及PWM的组合控制器等多种控制器及其方案等,以满足不同电路拓扑设计的不同需求。

单段式功率因数校正(PFC)方案

功率因数校正(PFC)可有效改善高谐波分量给电源线、断路开关、电力设施带来的压力。PFC控制器一般可以分为单段式和多段式(常见两段式)两种结构。单段式(如图1所示)可直接电流驱动,只需单个开关及磁性元件,缺点则是100/120Hz纹波,MOSFET应力更大,占空比更大,功率限制在100-150W。

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图1.单段式PFC结构示意图

典型的单段式PFC LED驱动方案有如安森美半导体的NCL30000。这器件使用临界导电模式(CrM)反激架构,以单段式拓扑结构提供高功率因数设计。安森美半导体基于NCL30000构建的25 W高功率因数单段式LED驱动器参考设计接受90-305Vac宽输入电压范围,能效高于87%,输入电流总谐波失真(THD)小于15%,功率因数(PF)大于0.97,输出功率25W(Vf=36Vdc),LED电流700mA±4%,最大LED电压44Vdc。安森美半导体还推出了单段式连续电流模式(CCM) PFC LED驱动器NCL30001,可以配置为恒流驱动器或固定输出电压驱动器,适合40W到150W LED照明设计。

两段式PFC + DC-DC转换方案

除了上述单段式方案,设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式(PFC段+DC-DC转换段)方案(如图2所示)。前段PFC的功能一方面实现输入电流整形以减小输入电流谐波,另一方面将输入交流电压转换为稳定的直流电压(变化范围一般为380V-400V),后段的DC-DC转换器实现隔离和变换,将稳定直流电压变换为所需要的电压,通常可以用反激、LLC或者降压实现,其优点是易于扩展功率和尺寸,易于提供次级端偏置电源,但相应会带来成本上的提升。

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图2.两段式PFC结构示意图

具体而言,两段式方案中的PFC段可选用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。

其中,NCP1605是增强型高压、高能效待机模式功率因数控制器,工作在固定频率非连续导电模式(DCM)和/或临界导电模式(CrM)。NCP1605能够作为PFC主控端工作,确保电源的第二段仅在安全条件下启动。它集成跳周期功能,将待机损耗降到最低。

NCP1631则是安森美半导体推出的一款单芯片2相交错式PFC控制器,可以替代2颗NCP1601,驱动2个PFC支路,提供接近1的高功率因数。

采用传统的CrM/BCM控制时,负载减少时开关频率上升,轻载时控制器可能进入“突发的调频模式”,产生噪声;采用电流控制频率反走(CCFF)控制时,负载减小时开关频率减小,降低噪声,轻载时控制器频率较低,可在高于可听频带的频率钳位,极轻载时采用跳周期模式工作,可以关闭以提升更好的THD,谷底导通进一步提升能效,减小电磁干扰(EMI)(如图3所示)。NCP1611/NCP1612基于创新的CCFF架构,在PFC电感电流超过设定值时,电路通常工作在临界导电模式(CrM),而当电流低于预设值时,将开关频率线性降低至约20 kHz,此时电流为零。NCP1615同样基于CCFF架构,当电流在预设水平以下时,NCP1615芯片的控制频率会线性衰减到26KHz。

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图3. 电流控制频率反走(CCFF)架构原理说明

对于两段式方案而言,在高压DC-DC次级段,单开关反激架构(图4所示)能效高,设计简单,但功率设计通常小于100W。安森美半导体作为业内领先的固定频率及准谐振(QR)控制方案供应商,提供的准谐振固定频率反激控制芯片具备高压启动、QR谷底锁定、强固的故障保护、宽产品系列(控制器最低6个引脚)等特点。从业内率先推出第一代高压准谐振反激控制芯片NCP1207/NCP1308,到第二代提供更多保护功能的NCP1337/NCP1338,再到第三代轻载能效大幅提升的NCP1380,直到最新的第四代改善空载能耗的NCP1339,安森美半导体一直都在不断努力,开发更多满足客户更宽需求的芯片产品。

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图4.高压DC-DC次级端反激拓扑示意图

而相对于其他谐振拓扑,LLC串联谐振转换器(图5所示)则能够在相对宽的输入电压及输出负责范围下工作;所需元器件数量则更少,谐振储能元件能够集成到单个变压器中;初级端开关在所有额定负载条件下能实现零电压开关(ZVS);次级端二极管能够实现零电流开关(ZCS),没有反向恢复损耗,所以作为一种高性价比、高能效及低EMI方案,常用于高输出电压的应用中。

NCP1398作为第五代高性能LLC串联谐振控制器,工作频率可以从50kHz高至750kHz,可调节最小开关频率精度达到±3%,可调节死区时间,带外部可调节软启动,精密及高阻抗输入欠压保护,用于过温或过压等严重故障条件下闩锁输入脚,基于定时器的可自动恢复过流保护,闩锁输出短路保护,on/off控制关闭输入脚,跳周期模式,带可调节迟滞,Vcc工作电压达20V,共集电极光耦连接,简化Oring控制,内置过温关闭,600V半桥驱动器,带1A/0.5A汲/源驱动能力,NCP1398B还提供反馈环路开路保护。

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图5.高压DC-DC次级端LLC串联谐振示意图

组合控制器方案

NCL30051是一款PFC及谐振半桥组合控制器,这器件集成了一个CrMPFC控制器及一个半桥谐振控制器,并内置600 V驱动器,针对离线电源应用进行了优化,采用SOIC16封装,具备了所有实现高能效、小外形设计所需的特性。相比传统途径的CrM PFC+LLC通过改变LLC频率来控制功率,NCL30051则是改变PFC大电容电压来控制功率,局限在于大电容电压的动态范围,优点则是简化了固定电压LED驱动器设计。

总结

LED照明正快速演变,新的驱动方案需要能够配合市场上最新的LED应用;同时为提升能效及降低系统总成本,拓扑结构的选择也在演变。为满足中高功率LED照明驱动的需求,安森美半导体提供了阵容广博、相辅相成的方案,包括单段式PFC方案,以及PFC+DC-DC转换的两段式方案,满足不同的中大功率LED照明应用的需求。
文章内容仅供参考 (投稿) (7/4/2014)
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