为不同功率LED通用照明应用选择适合的LED驱动电源方案

近年来，高亮度发光二极管(HB-LED)市场快速发展。LED光效不断增高，平均每流明光输出的成本也持续下降，使其应用范围不断拓宽，除了已经在屏幕尺寸小于4英寸的便携设备背光及体育场馆大型显示屏等应用中占据主导地位，更向汽车、中大尺寸液晶显示器(LCD)背光及通用照明等市场渗透，发展前景非常可观。

 

以电灯泡和荧光灯管替代、嵌灯、街灯及停车灯、工作照明灯(台灯、橱柜内照明)、景观照明、广告牌文字电路、建筑物照明等通用照明市场为例，据估计，当前LED照明(或称固态照明，英文简称SSL)的应用比例低于1%，2008年LED驱动器及相关分立器件的市场规模(SAM)仅为约6.88亿美元，预计到2012年市场规模将增长至13.08亿美元，年复合增长率高达17.4%。因此，LED通用照明成为热点市场。

 

本文旨在探讨LED通用照明市场不同功率范围及不同电源供电应用的要求，以及适用的LED驱动器及相关元器件，帮助照明设计工程师尽择适合的元器件方案，加快上市进程。

 

不同功率AC-DC供电LED通用照明应用要求及方案

不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明应用所适合的电源拓扑结构各不相同。如在功率低于80 W的应用中，反激拓扑结构是标准选择；而在讲究高能效的应用中，谐振半桥双电感加单电容(HB LLC)是首选。安森美半导体提供覆盖宽广功率范围的AC-DC LED照明方案，表1列举了几种典型的安森美半导体AC-DC LED照明方案。

 

表1：安森美半导体典型AC-DC LED通用照明解决方案。

 

从应用的功率等级来看，AC-DC供电的LED通用照明应用包括低功率、中等功率和大功率等不同类型。低功率应用的功率范围通常在1到12 W之间，中等功率涵盖8到40 W范围，大功率应用的功率常高于40 W。

 

1) 1 W至8 W LED通用照明应用要求及方案

在1 W到8 W的低功率LED通用照明方面，典型应用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌灯等。这类应用的输入电压范围在交流90至264 V之间，恒流输出电流包括350 mA和700 mA两种，能效要求为80%，并要求提供短路保护和过压保护等保护特性。

 

在这类应用中，可以采用安森美半导体的NCP1015自供电单片开关控制IC。这器件集成了固定频率(65/100/130 kHz)电流模式控制器和700 V的高压MOSFET，提供构建强固的低成本电源所需的全部特性，如软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点及动态自供电功能(无需辅助绕组)等。

 

值得一提的是，NCP1015在1 W到8 W LED照明应用中，既可以用于隔离型方案，也可用于非隔离型方案，满足客户的不同应用需求。这两种方案的成本差不多。但隔离型方案采用变压器实现电气隔离，方案中包含简单的反馈电路和用于负载开路及故障保护的钳位电路，安全性高，更适合于需求通过安规认证的应用。非隔离型方案采用抽头电感来隔离交流信号，能提高MOSFET工作的占空比，提高系统能效及电路性能。

图1：基于安森美半导体NCP1015的1至8 W隔离型(a)及非隔离型(b) LED照明方案。

 

上述基于NCP1015的隔离型及非隔离型方案均不含PFC，但安森美半导体也提供含PFC的NCP1015/NCP1014方案，为客户提供更多选择。

2) 8 W至25 W LED通用照明应用要求及方案：无PFC与有PFC

 

在8 W-25 W AC-DC LED照明应用中，我们要考虑两种情况。一种是应用不要求功率因数校正(PFC)。另一方面，美国能源部(DOE)“能源之星”固态照明(SSL)规范规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9。但这标准属于自愿性标准，即可选择不遵从或遵从。因此，要考虑的另一种情况是要求PFC。

 

不需要PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型应用如PAR30、PAR38和嵌灯。在这类应用中，输入电压要求为85~135 Vac或185~264Vac(或通用输入)，能效要求大于80%，提供短路保护及开路保护等保护特性，恒流输出电流为350 mA、700 mA及1 A等不同电流。相应地，可以采用安森美半导体的NCP1028或NCP1351，见图2。

 

图2：基于NCP1028和NCP1351的8-15/25 W AC-DC LED照明方案(无PFC)

 

 

其中，NCP1028是一款增强型单片开关控制IC，提供800 mA峰值电流，还提供过功率保护、内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性，适用于在通用宽电源输入的应用中提供几瓦至15 W的输出功率。除了基于NCP1028的无PFC方案，安森美半导体现也提供基于NCP1028的有PFC的方案。NCP1351则是一款固定导通时间、可变关闭时间脉宽调制(PWM)控制器，适用于成本至关重要的低功率离线反激开关电源应用。这器件支持频率反走，还具有闩锁输入、自然的频率抖动、负电流感测及扩展的电源电压范围等特性。

 

在要求PFC的8 W到25 W AC-DC LED照明方面，典型应用同样是PAR30、PAR38和嵌灯。这类应用的输入电压规格为90至264 Vac，能效要求80%，支持350 mA、700 mA及1 A恒流输出，提供短路及过压保护，功率因数要求高于0.9。这类应用适合采用安森美半导体的NCL30000单段式功率因数校正LED驱动器。单段式拓扑结构省下专用PFC升压段，减少元器件数量，帮助降低系统总成本。NCL30000提供高于0.9的功率因数，满足IEC C类谐波含量要求。这器件能够直接驱动LED，带精确恒流输出控制，在5至15 W的较低输出功率时能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等现有调光方案。

图3：基于NCL30000的8-25 W AC-DC LED照明方案(有PFC)

 

 

3) 50 W至200 W LED通用照明应用要求及方案

功率高于50 W的AC-DC LED应用广泛用于街道照明及大功率区域照明，可以采用不同的LED方案，用于50 W-150 W或100W -200 W的功率范围。假定其输入电压规格为90--264 Vac，功率因数高于0.9，能效大于85%，提供短路及过压保护，及350 mA、700 mA和1 A的恒流输出。此类应用可以采用下述不同方案，适应不同需求：

NCL30001：单段式PFC LED驱动器；

NCP1607+NCP1377：CrM PFC+ QR PWM；

NCP1607+NCP1397或NCP1392/3：CrM PFC+ LLC PWM。

 

图4：基于NCL30001的40-150 W AC-DC LED照明方案。