【導讀】LED的諸多優(yōu)點已經(jīng)使其逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，在小功率應用上越來越多地出現(xiàn)在我們?nèi)粘９ぷ魃钪?，而在我們傳統(tǒng)定義的20至400瓦的中高功率照明范圍內(nèi)，熒光燈、高強度氣體放電燈還是主流。
隨著大功率LED產(chǎn)品的不斷推陳出新，模塊化的LED燈條、大陣列LED等產(chǎn)品的出現(xiàn)，公路、體育館、戶外大型設施等需要大功率照明的應用場景中也越來越多出現(xiàn)LED產(chǎn)品的身影。
LED照明電路相對設計簡單、能集成控制、可方便實現(xiàn)調(diào)光、能有效降低電力消耗，所以在強調(diào)智能、綠色照明的今天，中高功率LED產(chǎn)品逐步替代高強度氣體放電燈（HID）等傳統(tǒng)光源已經(jīng)是大勢所趨。但我們也看到模塊化的LED燈條和陣列對電源驅(qū)動的要求不盡相同，如何為中高功率LED照明產(chǎn)品提供可靠、高效、靈活的驅(qū)動電源方案是設計人員常面臨的挑戰(zhàn)。安森美半導體積極推動高能效創(chuàng)新，充分利用在電源領域的豐富經(jīng)驗，提供應用于LED照明不同的領域。而針對中大功率LED照明應用的不同需求，安森美半導體提供功率因數(shù)校正(PFC）控制器、準諧振及固定頻率的反激控制器和開關穩(wěn)壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅(qū)動及LLC控制器、次級端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等，以滿足不同電路拓撲設計的不同需求。
單段式功率因數(shù)校正(PFC)方案
功率因數(shù)校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線、斷路開關、電力設施帶來的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式（常見兩段式）兩種結構。單段式（如圖1所示）可直接電流驅(qū)動，只需單個開關及磁性元件，缺點則是100/120Hz紋波，MOSFET應力更大，占空比更大，功率限制在100-150W。
圖1.單段式PFC結構示意圖
典型的單段式PFC LED驅(qū)動方案有如安森美半導體的NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供高功率因數(shù)設計。安森美半導體基于NCL30000構建的25 W高功率因數(shù)單段式LED驅(qū)動器參考設計接受90-305Vac寬輸入電壓范圍，能效高于87%，輸入電流總諧波失真(THD)小于15%，功率因數(shù)(PF)大于0.97，輸出功率25W(Vf=36Vdc)，LED電流700mA±4%，最大LED電壓44Vdc。安森美半導體還推出了單段式連續(xù)電流模式(CCM) PFC LED驅(qū)動器NCL30001，可以配置為恒流驅(qū)動器或固定輸出電壓驅(qū)動器，適合40W到150W LED照明設計。
兩段式PFC + DC-DC轉(zhuǎn)換方案
除了上述單段式方案，設計人員還可以根據(jù)應用需求選擇傳統(tǒng)的兩段式（PFC段+DC-DC轉(zhuǎn)換段）方案（如圖2所示）。前段PFC的功能一方面實現(xiàn)輸入電流整形以減小輸入電流諧波，另一方面將輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓（變化范圍一般為380V-400V），后段的DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)隔離和變換，將穩(wěn)定直流電壓變換為所需要的電壓，通常可以用反激、LLC或者降壓實現(xiàn)，其優(yōu)點是易于擴展功率和尺寸，易于提供次級端偏置電源，但相應會帶來成本上的提升。
圖2.兩段式PFC結構示意圖
具體而言，兩段式方案中的PFC段可選用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。
其中，NCP1605是增強型高壓、高能效待機模式功率因數(shù)控制器，工作在固定頻率非連續(xù)導電模式(DCM)和/或臨界導電模式(CrM)。NCP1605能夠作為PFC主控端工作，確保電源的第二段僅在安全條件下啟動。它集成跳周期功能，將待機損耗降到最低。
NCP1631則是安森美半導體推出的一款單芯片2相交錯式PFC控制器，可以替代2顆NCP1601，驅(qū)動2個PFC支路，提供接近1的高功率因數(shù)。
采用傳統(tǒng)的CrM/BCM控制時，負載減少時開關頻率上升，輕載時控制器可能進入“突發(fā)的調(diào)頻模式”，產(chǎn)生噪聲；采用電流控制頻率反走(CCFF）控制時，負載減小時開關頻率減小，降低噪聲，輕載時控制器頻率較低，可在高于可聽頻帶的頻率鉗位，極輕載時采用跳周期模式工作，可以關閉以提升更好的THD，谷底導通進一步提升能效，減小電磁干擾(EMI)（如圖3所示）。NCP1611/NCP1612基于創(chuàng)新的CCFF架構，在PFC電感電流超過設定值時，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低于預設值時，將開關頻率線性降低至約20 kHz，此時電流為零。NCP1615同樣基于CCFF架構，當電流在預設水平以下時，NCP1615芯片的控制頻率會線性衰減到26KHz。
圖3. 電流控制頻率反走(CCFF)架構原理說明
[page]對于兩段式方案而言，在高壓DC-DC次級段，單開關反激架構（圖4所示）能效高，設計簡單，但功率設計通常小于100W。安森美半導體作為業(yè)內(nèi)領先的固定頻率及準諧振(QR)控制方案供應商，提供的準諧振固定頻率反激控制芯片具備高壓啟動、QR谷底鎖定、強固的故障保護、寬產(chǎn)品系列（控制器最低6個引腳）等特點。從業(yè)內(nèi)率先推出第一代高壓準諧振反激控制芯片NCP1207/NCP1308，到第二代提供更多保護功能的NCP1337/NCP1338，再到第三代輕載能效大幅提升的NCP1380，直到最新的第四代改善空載能耗的NCP1339，安森美半導體一直都在不斷努力，開發(fā)更多滿足客戶更寬需求的芯片產(chǎn)品。
圖4.高壓DC-DC次級端反激拓撲示意圖
而相對于其他諧振拓撲，LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器（圖5所示）則能夠在相對寬的輸入電壓及輸出負責范圍下工作；所需元器件數(shù)量則更少，諧振儲能元件能夠集成到單個變壓器中；初級端開關在所有額定負載條件下能實現(xiàn)零電壓開關(ZVS)；次級端二極管能夠?qū)崿F(xiàn)零電流開關(ZCS)，沒有反向恢復損耗，所以作為一種高性價比、高能效及低EMI方案，常用于高輸出電壓的應用中。
NCP1398作為第五代高性能LLC串聯(lián)諧振控制器，工作頻率可以從50kHz高至750kHz，可調(diào)節(jié)最小開關頻率精度達到±3%，可調(diào)節(jié)死區(qū)時間，帶外部可調(diào)節(jié)軟啟動，精密及高阻抗輸入欠壓保護，用于過溫或過壓等嚴重故障條件下閂鎖輸入腳，基于定時器的可自動恢復過流保護，閂鎖輸出短路保護，on/off控制關閉輸入腳，跳周期模式，帶可調(diào)節(jié)遲滯，Vcc工作電壓達20V，共集電極光耦連接，簡化Oring控制，內(nèi)置過溫關閉，600V半橋驅(qū)動器，帶1A/0.5A汲/源驅(qū)動能力，NCP1398B還提供反饋環(huán)路開路保護。
圖5.高壓DC-DC次級端LLC串聯(lián)諧振示意圖
組合控制器方案
NCL30051是一款PFC及諧振半橋組合控制器，這器件集成了一個CrMPFC控制器及一個半橋諧振控制器，并內(nèi)置600 V驅(qū)動器，針對離線電源應用進行了優(yōu)化，采用SOIC16封裝，具備了所有實現(xiàn)高能效、小外形設計所需的特性。相比傳統(tǒng)途徑的CrM PFC+LLC通過改變LLC頻率來控制功率，NCL30051則是改變PFC大電容電壓來控制功率，局限在于大電容電壓的動態(tài)范圍，優(yōu)點則是簡化了固定電壓LED驅(qū)動器設計。
總結
LED照明正快速演變，新的驅(qū)動方案需要能夠配合市場上最新的LED應用；同時為提升能效及降低系統(tǒng)總成本，拓撲結構的選擇也在演變。為滿足中高功率LED照明驅(qū)動的需求，安森美半導體提供了陣容廣博、相輔相成的方案，包括單段式PFC方案，以及PFC+DC-DC轉(zhuǎn)換的兩段式方案，滿足不同的中大功率LED照明應用的需求。
