为不同功率LED通用照明应用选择适合的LED驱动电源方案
2010-06-25 15:19:41
来源：《半导体器件应用》2010年7月刊
1 前言
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。
2 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80W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。
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1W到12W之间，中等功率涵盖8W到40W范围，大功率应用的功率常高于40W。
(1)1W至8W LED通用照明应用要求及方案
在1W到8W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90V至264V之间，恒流输出电流包括350mA和700mA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。该器件集成了固定频率(65/100/130kHz)电流模式控制器和700V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1W到8W 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。
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)8W至25W LED通用照明应用要求及方案：无PFC与有PFC
在8W-25W AC-DC LED照明应用中，要考虑两种情况。一种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8W到25W 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85Vac~135Vac或185Vac~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350mA、700mA及1A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。
其中，NCP1028是一款增强型单片开关控制IC，提供800mA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W至15W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8W到25W 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90Vac至264Vac，能效要求80%，支持350mA、700mA及1A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5W至15W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。
(3)50W至200W LED通用照明应用要求及方案
功率高于50W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50W-150W或100W-200W的功率范围。假定其输入电压规格为90Vac-264Vac，功率因数高于0.9，能效大于85%，提供短路及过压保护，及350mA、700mA和1A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。
以NCL30001为例，这是一款电流连续模式(CCM)控制器，用于40W到150W功率范围的单段式功率因数校正LED驱动器。这器件支持20kHz到250kHz的可调节开关频率，支持频率抖动和电压前馈，包含输入欠压和过载定时器，提供高能效和高功率因数及强固的保护特性，图4是NCL30001的典型应用电路图。
值得一提的是，近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在相对较低的功率电平(<50W)提供高于90%的能效，这个能效目标甚至比“能源之星”2.0版外部电源能效要求（功率不超过49W时能效高于87%）更高。要达到这样高的能效，需要采用新的拓扑结构，如从反激拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。有利的是，安森美半导体早已着手开发能用于LED驱动电源的高能效半桥解决方案，如NCP1396及其升级版NCP1397高性能谐振模式控制器。NCP1397内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。
3 不同功率DC-DC供电LED通用照明应用要求及方案
对于直流-直流(DC-DC)供电的LED照明应用而言，同样可以根据不同功率范围来展开讨论。
(1)1W-3W DC-DC LED降压应用
典型1W-3W DC-DC LED降压照明应用包括MR11/MR16、汽车照明、太阳能供电等。这类应用的输入电压为5Vdc到28Vdc，支持350mA和700mA恒流输出，频率达500kHz至2MHz，能效不低于90%，工作温度范围为-40℃至125℃。在这类应用中，可以采用安森美半导体的CAT4201降压LED驱动器。这器件拥有专利的开关控制架构，可驱动7颗串联LED（24V输入时），能效高达94%，并提供LED开路保护、限流和过热保护等保护特性。
(2)1W-30W DC-DC LED降压应用
典型1W-30W DC-DC LED降压应用包括MR16射灯、街道照明中的次级端DC-DC LED驱动器。这类应用中，输入电压范围为7Vdc至120Vdc，输出电压范围为6Vdc至110Vdc，支持350mA、700mA或1A恒流输出，能效不低于90%。这类应用可以采用安森美半导体的NCL30100降压LED驱动器，这器件外置开关MOSFET，提供灵活的输入电压和输出电流设计，能效高于95%，其应用电路图参见图6(a)。
(3)1W-20W DC-DC LED升压应用
典型3W-20W DC-DC LED升压应用常见于DC-DC LED驱动器。这类应用的输入电压为5Vdc至28Vdc，支持350mA或700mA恒流输出，能效不低于90%。这类应用可以采用安森美半导体的NCP3065/NCP3066 LED驱动器。NCP3065/NCP3066能够配置为降压、升压、单端初级电感转换器(SEPIC)和逆变器等不同模式，并提供相应的汽车应用版本，即NCV3065/NCV3066。图6(b)显示的是NCP3066的升压配置LED应用电路图。
(4)1W-3W手电筒LED升压/降压应用
1W-3W手电筒LED应用中既有升压型，也有降压型。升压型应用的输入电压范围为1Vdc至2.5Vdc，工作频率达1.2MHz；降压型应用的输入电压范围为4Vdc至5.5Vdc，频率达1.7MHz。两类应用都需支持350mA或600mA恒流输出，能效高于90%。在1W-3W手电筒升压LED应用可采用安森美半导体的NCP1421升压DC-DC转换器，同等功率范围的手电筒降压LED应用可以采用安森美半导体的NCP1529低压降压转换器，应用电路图分别如图7(a)和图7(b)所示。
4 特别适合低电流LED照明应用的线性恒流稳流器
前文根据不同的供电类型，探讨了不同功率范围LED应用的要求及适合采用的驱动电源方案。但纵观不同的LED照明应用，可以发现有一类应用侧重于低电流应用，典型应用如商业和工业标识牌、汽车停车灯和尾灯，以及建筑物和装饰照明等。这类低电流LED应用常见的驱动方案包括低压降线性稳压器和电阻等。这两种驱动方案各有其优劣势。
有利的是，安森美半导体利用正申请专利的自偏置晶体管(SBT)技术，结合自身超强的工艺控制能力，推出一种新的低电流LED驱动方案——NSI45系列双端和三端线性恒流稳流器(CCR)。这种方案比线性稳压器更简单，且成本更低，但性能相比电阻方案又大幅提升，填补了市场空隙。NSI45系列提供众多优势，如在宽电压范围下保持亮度恒定，输入电压较高时保护LED免受过驱动影响，输入电压较低时仍使LED较亮，帮助减少或消除LED编码库存，以及帮助降低系统总成本等，非常适合低电流LED电流应用。
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。
2 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80W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。
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1W到12W之间，中等功率涵盖8W到40W范围，大功率应用的功率常高于40W。
(1)1W至8W LED通用照明应用要求及方案
在1W到8W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90V至264V之间，恒流输出电流包括350mA和700mA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。该器件集成了固定频率(65/100/130kHz)电流模式控制器和700V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1W到8W 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。
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)8W至25W LED通用照明应用要求及方案：无PFC与有PFC
在8W-25W AC-DC LED照明应用中，要考虑两种情况。一种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8W到25W 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85Vac~135Vac或185Vac~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350mA、700mA及1A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。
其中，NCP1028是一款增强型单片开关控制IC，提供800mA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W至15W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8W到25W 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90Vac至264Vac，能效要求80%，支持350mA、700mA及1A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5W至15W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。
(3)50W至200W LED通用照明应用要求及方案
功率高于50W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50W-150W或100W-200W的功率范围。假定其输入电压规格为90Vac-264Vac，功率因数高于0.9，能效大于85%，提供短路及过压保护，及350mA、700mA和1A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。
以NCL30001为例，这是一款电流连续模式(CCM)控制器，用于40W到150W功率范围的单段式功率因数校正LED驱动器。这器件支持20kHz到250kHz的可调节开关频率，支持频率抖动和电压前馈，包含输入欠压和过载定时器，提供高能效和高功率因数及强固的保护特性，图4是NCL30001的典型应用电路图。
值得一提的是，近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在相对较低的功率电平(<50W)提供高于90%的能效，这个能效目标甚至比“能源之星”2.0版外部电源能效要求（功率不超过49W时能效高于87%）更高。要达到这样高的能效，需要采用新的拓扑结构，如从反激拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构，从而充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。有利的是，安森美半导体早已着手开发能用于LED驱动电源的高能效半桥解决方案，如NCP1396及其升级版NCP1397高性能谐振模式控制器。NCP1397内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。
3 不同功率DC-DC供电LED通用照明应用要求及方案
对于直流-直流(DC-DC)供电的LED照明应用而言，同样可以根据不同功率范围来展开讨论。
(1)1W-3W DC-DC LED降压应用
典型1W-3W DC-DC LED降压照明应用包括MR11/MR16、汽车照明、太阳能供电等。这类应用的输入电压为5Vdc到28Vdc，支持350mA和700mA恒流输出，频率达500kHz至2MHz，能效不低于90%，工作温度范围为-40℃至125℃。在这类应用中，可以采用安森美半导体的CAT4201降压LED驱动器。这器件拥有专利的开关控制架构，可驱动7颗串联LED（24V输入时），能效高达94%，并提供LED开路保护、限流和过热保护等保护特性。
(2)1W-30W DC-DC LED降压应用
典型1W-30W DC-DC LED降压应用包括MR16射灯、街道照明中的次级端DC-DC LED驱动器。这类应用中，输入电压范围为7Vdc至120Vdc，输出电压范围为6Vdc至110Vdc，支持350mA、700mA或1A恒流输出，能效不低于90%。这类应用可以采用安森美半导体的NCL30100降压LED驱动器，这器件外置开关MOSFET，提供灵活的输入电压和输出电流设计，能效高于95%，其应用电路图参见图6(a)。
(3)1W-20W DC-DC LED升压应用
典型3W-20W DC-DC LED升压应用常见于DC-DC LED驱动器。这类应用的输入电压为5Vdc至28Vdc，支持350mA或700mA恒流输出，能效不低于90%。这类应用可以采用安森美半导体的NCP3065/NCP3066 LED驱动器。NCP3065/NCP3066能够配置为降压、升压、单端初级电感转换器(SEPIC)和逆变器等不同模式，并提供相应的汽车应用版本，即NCV3065/NCV3066。图6(b)显示的是NCP3066的升压配置LED应用电路图。
(4)1W-3W手电筒LED升压/降压应用
1W-3W手电筒LED应用中既有升压型，也有降压型。升压型应用的输入电压范围为1Vdc至2.5Vdc，工作频率达1.2MHz；降压型应用的输入电压范围为4Vdc至5.5Vdc，频率达1.7MHz。两类应用都需支持350mA或600mA恒流输出，能效高于90%。在1W-3W手电筒升压LED应用可采用安森美半导体的NCP1421升压DC-DC转换器，同等功率范围的手电筒降压LED应用可以采用安森美半导体的NCP1529低压降压转换器，应用电路图分别如图7(a)和图7(b)所示。
4 特别适合低电流LED照明应用的线性恒流稳流器
前文根据不同的供电类型，探讨了不同功率范围LED应用的要求及适合采用的驱动电源方案。但纵观不同的LED照明应用，可以发现有一类应用侧重于低电流应用，典型应用如商业和工业标识牌、汽车停车灯和尾灯，以及建筑物和装饰照明等。这类低电流LED应用常见的驱动方案包括低压降线性稳压器和电阻等。这两种驱动方案各有其优劣势。
有利的是，安森美半导体利用正申请专利的自偏置晶体管(SBT)技术，结合自身超强的工艺控制能力，推出一种新的低电流LED驱动方案——NSI45系列双端和三端线性恒流稳流器(CCR)。这种方案比线性稳压器更简单，且成本更低，但性能相比电阻方案又大幅提升，填补了市场空隙。NSI45系列提供众多优势，如在宽电压范围下保持亮度恒定，输入电压较高时保护LED免受过驱动影响，输入电压较低时仍使LED较亮，帮助减少或消除LED编码库存，以及帮助降低系统总成本等，非常适合低电流LED电流应用。
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