安森美半導體用於一般照明應用的豐富AC-DC LED驅動器方案
前言：
2014年4月22日--LED照明逐步取代傳統照明是大勢所趨。不過，LED一般照明有許多挑戰，如功率密度、功率因數修正(PFC)、空間受限和可靠性等。安森美半導體致力於為LED照明提供寬廣陣容解決方案
2014年4月22日--LED照明逐步取代傳統照明是大勢所趨。不過，LED一般照明有許多挑戰，如功率密度、功率因數修正(PFC)、空間受限和可靠性等。安森美半導體致力於為LED照明提供寬廣陣容解決方案，推出各種符合最新LED照明標準的產品，包括用於一般照明的AC-DC LED驅動電源方案。
一般照明挑戰及交流主電源供電LED驅動器拓撲
由於LED總光效要求及散熱限制，能效對低功率應用尤其重要；許多情況下，即使是較低功率應用也要求功率因數修正和諧波處理；在空間受限應用中，特別是替代燈泡應用，要求有很高的驅動功率密度；總體電源可靠性對整個燈的壽命非常重要；寬輸入電源電壓範圍應支持高達277 Vac；相容TRIAC調光等要求。此外，LED一般照明還要符合演進的標準及安全規範，如「能源之星」和IEC要求。
由於LED總光效要求及散熱限制，能效對低功率應用尤其重要；許多情況下，即使是較低功率應用也要求功率因數修正和諧波處理；在空間受限應用中，特別是替代燈泡應用，要求有很高的驅動功率密度；總體電源可靠性對整個燈的壽命非常重要；寬輸入電源電壓範圍應支持高達277 Vac；相容TRIAC調光等要求。此外，LED一般照明還要符合演進的標準及安全規範，如「能源之星」和IEC要求。
根據應用要求(尺寸、能效、功率因數、功率、驅動電流)不同，以交流主電源驅動LED有多種拓撲。安森美半導體提供各種電源方案，可用於各種照明應用。
圖1：不同交流主電源供電LED驅動器拓撲結構
安森美半導體LED一般照明AC-DC解決方案
1) 功率因數修正方案
採用安森美半導體的NCP1611或NCP1612的160 W功率因數修正(PFC)升壓方案採用非隔離升壓拓撲，輕載能效高於傳統CrM PFC；無須額外元件，可靠性及安全性高。該方案採用電流控制頻率反走(CCFF) CrM，有升壓或旁路二極體短路保護、引腳開路/短路保護、優化的瞬態回應、軟過壓保護、輸入欠壓檢測、低總諧波失真配置、過熱關閉等特性。
採用安森美半導體的NCP1611或NCP1612的160 W功率因數修正(PFC)升壓方案採用非隔離升壓拓撲，輕載能效高於傳統CrM PFC；無須額外元件，可靠性及安全性高。該方案採用電流控制頻率反走(CCFF) CrM，有升壓或旁路二極體短路保護、引腳開路/短路保護、優化的瞬態回應、軟過壓保護、輸入欠壓檢測、低總諧波失真配置、過熱關閉等特性。
這類PFC方案還包括NCP1607、NCP1608、NCP1615和NCP1654(非隔離升壓)；NCL30000(隔離單級返馳、非隔離降壓)；NCL30001(隔離單級返馳)；NCL30002(非隔離降壓)；NCL30060(單級返馳或降壓)。
以NCL30000為例，「平均電流穩流」拓撲可以選擇兩種配置，一種是降壓配置(包含抽頭電感降壓配置)；另一種是降壓-升壓配置，電感沒有與LED串串聯，輸入電流波形或失真與輸出壓降無關。它可進行初級可控矽調光，適用於隔離和非隔離方案，隔離方案能效80－85％。
2) 初級端控制離線方案
初級端穩流(PSR)也稱初級端控制。初級端控制離線LED驅動器不使用光耦，具有±1%(典型值)的精密LED穩流精度、寬VCC範圍、高能效准諧振控制、強固的保護特性組合，以及寬工作溫度範圍(-40至+125℃)；支持返馳及降壓-升壓拓撲，帶無源PFC輸入的功率因數約0.9；該系列可應用於LED燈泡替代、離線LED驅動器、嵌燈、室內/室外重點照明及任務燈及LED電子控制裝置。
初級端穩流(PSR)也稱初級端控制。初級端控制離線LED驅動器不使用光耦，具有±1%(典型值)的精密LED穩流精度、寬VCC範圍、高能效准諧振控制、強固的保護特性組合，以及寬工作溫度範圍(-40至+125℃)；支持返馳及降壓-升壓拓撲，帶無源PFC輸入的功率因數約0.9；該系列可應用於LED燈泡替代、離線LED驅動器、嵌燈、室內/室外重點照明及任務燈及LED電子控制裝置。
圖2：初級端控制離線方案
可供選擇的元件有NCL30080A/B、NCL30081A/B、NCL30082A/B和NCL30083A/B(無源PFC控制)；NCL30085A/B、NCL30086A/B、NCL30087A/B和NCL30088A/B(有源PFC控制)。其調光控制包括非調光、3步/5步調光、類比類比/數位、雙向可控矽/後緣觸發調光等。
3) AC-DC開關穩壓器
安森美半導體針對隔離返馳式和非隔離式轉換器的開關穩壓器包括NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1014/15、NCP1027/28、NCP1072/5、NCP1076等。這些元件均為電流模式，峰值電流限制從100 mA至800 mA。這些方案集成了MOS管，適用於隔離和非隔離應用，支持次級PWM調光、類比類比調光或雙亮度等級調光，能效高達75－80％。
安森美半導體針對隔離返馳式和非隔離式轉換器的開關穩壓器包括NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1014/15、NCP1027/28、NCP1072/5、NCP1076等。這些元件均為電流模式，峰值電流限制從100 mA至800 mA。這些方案集成了MOS管，適用於隔離和非隔離應用，支持次級PWM調光、類比類比調光或雙亮度等級調光，能效高達75－80％。
4) 用於高壓LED串的高功率因數升壓方案
高壓多結點LED正變得更加常見，因為供應商趨向更好地優化LED以提升系統總光效，並引入更加專用化的LED。這些LED每封裝的正向電壓可達24至200 V，可以優化用於定點照明、全向照明或線性照明。為了以低元件數量及標準現成電感實現此目標，電路中使用了NCP1075單片高壓開關穩壓器及高精度的NCP4328A恒流/恒壓控制器。
該方案能效高於90%，具有20 ms的快速啟動時間、LED開路保護、可使用現有電感、功率因數高於0.95，以及採用NCP1075時功率能力大於10 W的特性，應用主要是LED燈泡及燈管、低功率光源及燈具、電子控制裝置和LED驅動器。
高壓多結點LED正變得更加常見，因為供應商趨向更好地優化LED以提升系統總光效，並引入更加專用化的LED。這些LED每封裝的正向電壓可達24至200 V，可以優化用於定點照明、全向照明或線性照明。為了以低元件數量及標準現成電感實現此目標，電路中使用了NCP1075單片高壓開關穩壓器及高精度的NCP4328A恒流/恒壓控制器。
該方案能效高於90%，具有20 ms的快速啟動時間、LED開路保護、可使用現有電感、功率因數高於0.95，以及採用NCP1075時功率能力大於10 W的特性，應用主要是LED燈泡及燈管、低功率光源及燈具、電子控制裝置和LED驅動器。
圖3：高壓LED串高功率因數升壓方案
5) AC-DC開關控制器
針對隔離和非隔離降壓、降壓/升壓轉換器的開關控制器有固定頻率的NCP1200、NCP1203、NCP1218、NCP1219、NCP1230、NCP1234/6、NCP1237/8、NCP1250/1/3；還有准諧振的NCP1207A、NCP1308、NCP1337/38、NCP1377、NCP1379/80和NCP1336。針對非隔離降壓轉換器的開關控制器則有LV5011MD、LV5012MD、LV5026MC、LV5029MD、NCL30002和NCL30105。此外還有諧振半橋變換器的開關控制器NCP1392/3、NCP1398及開關組合控制器NCL30051和NCL30030。
針對隔離和非隔離降壓、降壓/升壓轉換器的開關控制器有固定頻率的NCP1200、NCP1203、NCP1218、NCP1219、NCP1230、NCP1234/6、NCP1237/8、NCP1250/1/3；還有准諧振的NCP1207A、NCP1308、NCP1337/38、NCP1377、NCP1379/80和NCP1336。針對非隔離降壓轉換器的開關控制器則有LV5011MD、LV5012MD、LV5026MC、LV5029MD、NCL30002和NCL30105。此外還有諧振半橋變換器的開關控制器NCP1392/3、NCP1398及開關組合控制器NCL30051和NCL30030。
圖4：採用NCL30030的AC-DC開關控制器LED驅動方案
6) 離線降壓LED驅動器
NCL30002是支持高功率因數或低紋波降壓拓撲的高能效CrM控制方法，具有485 mV峰值電流感測精度±2%(典型值)、低至24 μA(典型值)的啟動電流；最大Vcc達20 Vdc；帶有500 mA源/800 mA汲MOSFET門極驅動器；寬工作溫度範圍-40至+125℃。其應用有LED燈泡(包括小型蠟燭燈)替代、嵌燈、室內/定外重點照明及任務燈。
NCL30002是支持高功率因數或低紋波降壓拓撲的高能效CrM控制方法，具有485 mV峰值電流感測精度±2%(典型值)、低至24 μA(典型值)的啟動電流；最大Vcc達20 Vdc；帶有500 mA源/800 mA汲MOSFET門極驅動器；寬工作溫度範圍-40至+125℃。其應用有LED燈泡(包括小型蠟燭燈)替代、嵌燈、室內/定外重點照明及任務燈。
圖5：採用NCL30002的小型設計
7) 非隔離離線降壓控制器
LV5026MC是一款非隔離離線降壓控制器，支持不同調光控制(TRIAC、類比及PWM)、可選擇開關頻率(50 kHz或70 kHz)、低雜訊開關系統；具有短路保護、緩啟動和內置TRIAC穩定功能。應用包括壁燈、任務燈、臺階燈和LED燈泡替代。
LV5026MC是一款非隔離離線降壓控制器，支持不同調光控制(TRIAC、類比及PWM)、可選擇開關頻率(50 kHz或70 kHz)、低雜訊開關系統；具有短路保護、緩啟動和內置TRIAC穩定功能。應用包括壁燈、任務燈、臺階燈和LED燈泡替代。
圖6：非隔離離線降壓控制器
8) 可調光LED驅動器
LV50xx中的LV5026MC、LV5029MD、LV5011MD和LV5012MD都是可調光LED驅動器。以LV5011MD和LV5012MD為例，兩者開關頻率均為70 kHz，可提升功率因數，具有、外部調節參考電壓、過壓保護、過熱關閉功能。兩者的不同之處在於調光模式，均可用於小型可調光LED燈泡、離線LED驅動器和嵌燈。
LV50xx中的LV5026MC、LV5029MD、LV5011MD和LV5012MD都是可調光LED驅動器。以LV5011MD和LV5012MD為例，兩者開關頻率均為70 kHz，可提升功率因數，具有、外部調節參考電壓、過壓保護、過熱關閉功能。兩者的不同之處在於調光模式，均可用於小型可調光LED燈泡、離線LED驅動器和嵌燈。
圖7：可調光LED驅動器
9) 非隔離線性LED驅動器拓撲的恒流穩流器(CCR)
一種是低電流LED串驅動器CCR NSIC2020 (120 V, 20 mA)，其交流電壓上升時電流仍保持恒定，達到LED閾值電壓後導通無延遲，低電壓時LED亮度高，可防止LED受電壓浪湧影響。另一種用於低成本T5 LED燈管，採用CCR NSIC2050 (120 V, 50 mA)LED驅動器，可直接交流驅動LED，無漏電流，穩流可保護LED。
一種是低電流LED串驅動器CCR NSIC2020 (120 V, 20 mA)，其交流電壓上升時電流仍保持恒定，達到LED閾值電壓後導通無延遲，低電壓時LED亮度高，可防止LED受電壓浪湧影響。另一種用於低成本T5 LED燈管，採用CCR NSIC2050 (120 V, 50 mA)LED驅動器，可直接交流驅動LED，無漏電流，穩流可保護LED。
圖8：低成本T5 LED燈管電路
10) 用於街道及區域照明的LED電源
替代高強度氣體放電燈(HID)或高壓鈉燈(HPS)，要使用大LED陣列。根據終端產品不同，LED可配置為不同結構。一種方法是將交流輸入電壓轉換為直流穩壓輸出，並為多個並聯LED燈條供電。另一種方法是提供穩流恒流來直接驅動LED，省去燈條中內置的線性或DC-DC轉換段。
替代高強度氣體放電燈(HID)或高壓鈉燈(HPS)，要使用大LED陣列。根據終端產品不同，LED可配置為不同結構。一種方法是將交流輸入電壓轉換為直流穩壓輸出，並為多個並聯LED燈條供電。另一種方法是提供穩流恒流來直接驅動LED，省去燈條中內置的線性或DC-DC轉換段。
圖9a：方法1 -- 將交流輸入電壓轉換為直流穩壓輸出
第二種方法旨在配合「能源之星」1.1版光源規範，其特點包括：通用輸入範圍90 - 265 Vac(更改元件可支持305 Vac)；最大輸出功率60 W(更改元件NCL30051最高支持250 W功率)；功率因數PF大於0.9(50-100%負載，帶調光)；諧波含量遵從IEC61000-3-2 class C標準；Iout = 1000 mA/Vf = 35至45 V條件下，能效大於90%；恒流輸出電流範圍0.7 - 1.5 A；輸出電壓範圍35 - 50 V；輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護-自動恢復、過壓保護-輸入(OVP大電壓)等保護特性。
圖9b：方法2 --提供穩流恒流來直接驅動LED
總結
安森美半導體利用在電源管理、高能效電源及封裝方面的核心專長及優勢，為LED照明應用，特別是一般照明提供了符合各種規範要求控制和驅動元件。這些方案採用不同LED驅動電源拓撲結構，其中一些方案支持不同調光技術，配合各種AC-DC LED一般照明應用。
安森美半導體利用在電源管理、高能效電源及封裝方面的核心專長及優勢，為LED照明應用，特別是一般照明提供了符合各種規範要求控制和驅動元件。這些方案採用不同LED驅動電源拓撲結構，其中一些方案支持不同調光技術，配合各種AC-DC LED一般照明應用。
