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安森美半導體用於LED路燈的高能效驅動電源方案

本文作者:安森美 2014-10-14 11:18
导语:
2014年10月14日--隨著全球各國政府對LED照明推廣程度的增加,以及LED產品價格的進一步降低,LED照明市場近幾年來得到了顯著的成長。LED路燈是其中一個重要應用,有著高效能、環保、節能、便於控制等優點,使其取代傳統路燈的趨勢越來越明顯。不同於室內LED照明產品,LED路燈往往功率較大,而室外應用環境更具複雜性,如何有效率驅動LED路燈成為設計的要點。
 
積極推動高能效創新的安森美半導體充分利用在電源領域的豐富經驗,為LED路燈驅動設計提供滿足各類規範要求的高能效方案,包括PFC段及主功率級的元件等。
 
功率因數修正(PFC)預升壓轉換段方案
目前世界主要國家和機構都對LED驅動器在功率因數或總諧波失真上提出了相應的規範,比如國際電工委員會提出的IEC 61000-3-2、歐盟的EN61000-3-2、日本的JIC-C-61000-3-2、中國的GB 17625.1等標準。美國「能源之星」對功率大於5 W等級的固態照明燈具都有功率因數的要求,家用驅動器功率因數需大於0.7,商用驅動器功率因數需大於0.9,而在路燈的應用中,對功率因數的要求通常會大於0.95。
 
為了滿足大功率LED路燈電源設計在功率因數以及諧波含量限制方面的要求,安森美半導體提供三種工作模式的PFC方案選擇:連續導電模式(CCM),如NCP1654;臨界導電模式(CrM),如NCP1608;頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM),如NCP1605。
 

圖1:安森美半導體提供三種模式的功率因數修正(PFC)方案
 
其中,NCP1654的主要特性包括:採用平均電流控制模式;快速暫態回應;採用SO-8封裝,只需極少的外部元件;低啟動電流(<75 uA);±1.5 A推拉輸出電路門驅動;具備突波電流檢測、過壓保護、欠壓保護、開迴路保護,以及精確的過流、過功率限制功能,為電路提供穩固的保護功能。
 
主功率段選型:半橋LLC提供C/P值高、高能效及易處理EMI的選擇
主功率段電源設計往往有多種拓撲可以選擇,常見的諸如返馳、順向、主動箝位順向、半橋LLC(雙電感和單電容)等。隨著功率及功率密度的提升,半橋LLC拓撲為LED路燈主功率段驅動電源設計提供了高C/P值、高能效、容易處理電磁干擾(EMI)的選擇。相比於其他拓撲結構,LLC支持在相對較寬的輸入電壓和輸出負載範圍下工作;元件數量有限:諧振儲能元件能部分或全部集成在主變壓器中;初級開關管在所有負載條件下零電壓開關(ZVS);次級整流器在所有負載條件下零電流開關(ZCS);具有應用簡單的同步整流功能。
 

圖2:隨著功率及功率密度的提升,半橋LLC拓撲成為LED路燈驅動理想選擇
 
安森美半導體的NCP1397為採用LLC拓撲結構的主電源段提供了高C/P值且可靠性高的方案,為客戶在尺寸限制、待機要求及成本等設計考量上提供了理想選擇,主要特性包括:50 kHz至500 kHz的高頻工作;600 V高壓浮動驅動器;可調節最小開關頻率(3%精度);100 ns至2 us的可調節停滯時間;藉外部可調節緩啟動提供的啟動序列;輸入欠壓保護結合閂鎖輸入;基於定時器的自動恢復及立即閂鎖過流保護;可藉導通/關閉控制來關閉輸入(跳週期模式);300 uA低待機電流;1A/0.5 A峰值電流汲極/源極驅動能力;共用集極或射極光耦合器連接。
 
待機電路選型
為有效提高電源效率,需儘量降低產品待機功耗。應用安森美半導體NCP1070高壓開關穩壓器,只需簡單的週邊降壓線路就可有效降低待機能耗。該元件內置700V MOSFET,支持動態自供電(DSS),提供無損耗的啟動序列,同時還具有短路保護、1ms緩啟動、頻率抖動、Vcc引腳過壓保護等功能,線路簡單且具有成本優勢。
 
恆壓恆流控制方案
精準的恆壓恒流控制能夠保證LED顆粒之間發光均一,從而更好地維持LED路燈壽命。安森美半導體提供的NCP4328內含兩個OTA,能實現二次側精準的恆壓恆流控制。
 
安森美半導體150 W高能效、無頻閃LED路燈驅動電源方案參考設計
安森美半導體提供150 W功率的LED路燈驅動電源方案參考設計。這參考設計採用了NCP1654(PFC)+NCP1397(LLC)+ NCP4328(恆壓恆流控制)+ NCP1070(待機控制)的元件組合,接受90至265 Vac寬電壓輸入,提供40 V/3.45 A輸出,能滿足功率因數大於0.95,總諧波含量小於15%的要求,滿載平均效率大於90%,典型電流精度達到了1%以內。這參考設計支持快速啟動,典型啟動時間小於500 ms,還提供低輸出電流紋波,無頻閃。
 

圖3:安森美半導體150 W路燈參考設計的能效及穩流精度。
 

圖4:安森美半導體150 W路燈參考設計的功率因數及THD符合設計目標
 
總結
LED路燈技術精密、成份多樣、應用環境複雜,各國政府都對驅動設計提出了嚴苛的要求,為LED路燈提供高可靠性高效率電源也是目前亟待解決的問題。安森美半導體提供多種電源方案和拓撲,更提供了一個高能效、高恆流精度、無頻閃、完善的保護功能、可靠性高、週邊電路簡潔的參考設計,成為LED路燈驅動方案的極佳選擇。