據國際能源署(IEA)估計，全球消耗的電能中有19%是用于照明。因此，近年來，世界各國紛紛致力于以更高能效的方案來替代低能效的白熾燈光源。而隨著發光二極管(LED)在流明輸出及光效方面持續快速進步，同時，平均每流明光輸出的成本也在下降，再結合LED在高指向性、長壽命和低維護成本等方面的優勢，LED照明(也稱固態照明，或SSL)成為一種極為引人注目的替代解決方案。
針對固態照明的能效規范要求
為了促進節能，世界各地的政府機構或規范組織制定了不同LED照明規范，主要體現在對功率因數(PF)的要求方面。如歐盟的國際電工聯盟(IEC)規定了功率大于25 W照明應用的總諧波失真性能，某些地區的其它國際標準也適用這規定。
另外，美國能源部制定及發布了針對固態照明燈具的“能源之星”標準。這項自愿性標準包含針對常見住宅和商業照明燈具(如嵌燈、櫥柜燈和臺燈)的系列要求，涵蓋最低流明輸出、總體光效、可靠性目標、光色溫及一系列其它關鍵系統級要求。值得注意的是，這個標準中并不直接包含電源能效要求，但包含功率因數要求，即不論是何種功率等級，住宅應用要求的PF大于0.7，商業應用要求的PF大于0.9，而集成LED燈光的要求是PF大于0.7。
當然，并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求。例如，公用事業機構可能大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用。此外，公用事業機構擁有/維護街燈時，他們可以根據自己的意愿，來決定是否要求產品擁有高功率因數(通常大于0.95+)。
13 W LED嵌燈設計示例
1)參照代用標準確立最大負載設計目標
以“能源之星”的固態照明燈具標準為例，這標準包含決定燈具光效的總體性要求；實際上，這標準是一個系統級標準，涉及所選LED、現場工作溫度、光學組件、驅動器電源轉換能效等。燈具開發人員因而可以在LED的選擇、光學組件的使用、熱管理方案、驅動器拓撲結構及設計方面折衷取舍，從而符合整體要求。下表列舉了“能源之星”1.1版住宅及商業應用固態照明規范1.1版對嵌燈的關鍵系統要求。
表1：“能源之星”1.1版住宅及商業固態照明規范之嵌燈關鍵要求。
最常見的嵌燈是較大孔徑類嵌燈。對于住宅及商業應用而言，除了功率因數方面的差別，設計人員能夠靈活地使用中性及暖白光LED。從表1中的最低要求可以看出，要獲得575流明的最低輸出，最大輸入功率閾值約為16.4 W。
由于沒有直接適用的LED驅動器能效標準，可考慮將“能源之星”2.0版外部電源(EPS)標準作為代用標準。根據EPS 2.0標準，額定功率在1到49 W之間的標準電源的最低能效要求為0.0626×ln(Pno)+0.622。因此，符合這標準的12 W額定功率電源的最低能效為77.7%，15 W電源則為79.1%。由于LED燈具標準基于輸入插座能效，有必要將驅動器能效目標轉換為有效的LED負載。為了增加一些設計裕量，我們將最低目標能效定為80%。這樣一來，LED負載就為16.4 W×80%，即13.1 W。
這樣，我們就確定了最大負載設計目標。LED光效受制于LED制造商以及驅動電流和工作溫度。安森美半導體這GreenPoint®參考設計選擇的是350 mA的恒定電流，支持市場上大多數高亮度功率LED。另一個要顧及的因素是燈具開發人員可以選擇寬范圍的LED，所選LED的光效越高，要求采用的LED數量就越少。因此，這GreenPoint®參考設計在50%至100%額定負載時的能效應當較高。隨著LED光效的提升，可以輕易修改同一個基本電源設計來驅動更少的LED，從而提供遠高于最低要求的燈具光效。
2)其它設計要求
確定了基本設計要求，就需要考慮與終端應用需求有關的其它系統因素。例如，雖然標準中并無要求，但兼容已有線路調光方案很重要。因此，應當針對三端雙向可控硅開關器件(TRIAC)壁式調光器來優化設計。TRIAC調光的挑戰不少，但有一項因素設計人員可能容易忽略，就是驅動器應當能夠能在低斬波(chopped)交流輸入波形條件下啟動及工作。而且，驅動電源的尺寸應當匹配嵌燈燈具接線盒。還應該注意一項人的因素要求。雖然LED實際上在瞬間之間就發光，但驅動器的設計要留出特定的啟動時間。不管是什么LED燈具，這方面的表現都應該不比CFL差，甚至應該更好。所以，我們可以把CFL作為參照基準。“能源之星”CFL燈泡要求中，額定條件下最大啟動時間為1秒，因此，我們將就LED驅動器在啟動時間方面的設計目標定在0.5秒。由于這個設計面向住宅或商業應用，因此我們定下的規格目標更具挑戰性。表2總結了本GreenPoint®參考設計關鍵的設計目標。
表2：關鍵設計目標。
3)設計途徑：采用單段式方案提供高功率因數
要實現高功率因數、電源能效目標及緊湊的尺寸，有必要使用高功率因數的單段式拓撲結構。由于功率目標較低，傳統的兩段式拓撲結構(PFC升壓+反激轉換)就無法滿足要求了。因此，我們使用了基于安森美半導體NCL30000臨界導電模式(CrM)反激控制器的CrM反激拓撲結構。
單段式拓撲結構省下專用的PFC升壓段，幫助減少元器件數量，降低系統總成本。但采用單段式拓撲結構，系統也會受到一些影響，如無初級高壓能量存儲，輸出電壓保持時間較短。另外，輸出紋波較高，必須采用更多的低壓輸出電容來滿足維持要求，及對動態負載反應較慢等。有利的是，這對眾多LED照明應用而言不構成問題，因為LED照明應用無系統維持時間要求，而且紋波匯入平均光輸出，人眼不會察覺。
設計針對高功率因數(PF>0.95)有利于輕松符合SSL燈具的商用照明要求，并使輸入電流波形看上去象是電阻型載的波形。這對兼容TRIAC調光非常重要，因為TRIAC調光器原本用于白熾燈，而白熾燈在電路中的作用就象是電阻，即充當電阻型負載。用示波器截取的波形顯示，優化設計的單段式CrM反激電源的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相。
圖1顯示的是安森美半導體基于NCL30000的單段式高功率因數反激拓撲結構的簡化功能框圖。從圖1中可以看出，隔離反激的次級端有恒流恒壓(CCCV)控制模塊。這模塊有兩個主要功能，一是緊密穩流350 mA的恒定電流，并為初級端提供反饋，用于調節導通時間，對流經LED的恒定電流進行穩流；二是在發生開路事件時，進入恒壓控制模式，在故障事件下產生穩壓固定電壓。開路電壓穩壓為UL1310 2類電源的60 Vdc最大電壓限制。此外，無意中碰到輸出短路時，還能限制功率，避免損壞LED。
這GreenPoint®參考設計的詳細設計過程參見安森美半導體另行提供的NCL3000數據表及兩篇設計筆記，參見參考資料[2]至[5]。
圖1：基于NCL30000的單段式CrM反激LED驅動器GreenPoint®參考設計簡化框圖。
4)測試結果
測試結果顯示，這參考設計的性能超過了表2中所列的全部設計目標，參見圖2(詳見參考資料[1])。圖2顯示了90到135 Vac線路電壓范圍下LED驅動器的功率因數和輸入電流總諧波失真，可以看出這參考設計的功率因數很高(超過商業照明0.9的最低功率因數要求)，總諧波失真低(<20%)。圖3顯示了不同負載條件下的LED能效。將25%、50%、75%和100%四個工作點下的能效作平均計算，可得出總平均能效為80.7%；而在50%至100%負載的關鍵工作區域，能效范圍為81.1%至82%。這不僅超越本參考設計定下的80%能效目標，還超過了EPS 2.0標準對15 W電源79.1%的能效要求。損耗來源中包含輸入EMI段支持TRIAC調光所需的15歐姆限流電阻的能耗。
圖2：90至135 Vac輸入線路電壓條件下的功率因數和總諧波失真。
圖3：輸入電壓為115 Vac時不同負載條件下的能效。
總結：
要設計滿足下一代固態照明產品所有要求的離線LED驅動器存在不少挑戰。本參考設計文檔顯示，安森美半導體基于NCL30000的單段式CrM TRIAC調光LED驅動器GreenPoint®參考設計達到了所有關鍵性能指標，如“能源之星”1.1版商業及住宅應用固態照明功率因數要求，甚至是代為參考的2.0版外部電源在關鍵負載條件下的能效要求。這參考設計還為系統開發人員提供靈活性，使他們能夠升高或降低功率，滿足不同功率應用的要求。這種途徑讓設計人員能夠靈活應對LED光效提升，便于他們設計LED數量更少但仍提供預期光輸出的燈具。
供稿：安森美半導體
參考資料：
1、《離線高功率因數TRIAC調光LED驅動器GreenPoint®參考設計》，安森美半導體，www.onsemi.com/pub/Collateral/TND398-D.PDF
2、《NCL30000數據手冊》，安森美半導體，www.onsemi.com/pub/Collateral/NCL30000-D.PDF
3、《配置NCL30000用于TRIAC調光》，安森美半導體，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8448-D.PDF
4、《NCL30000單段CrM反激LED驅動器電源段設計指引》，安森美半導體，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8451-D.PDF
5、《NCL30000評估板手冊》，安森美半導體，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCL3000LED2GEVB-D.PDF
6、“能源之星”1.1版固態照明要求，www.energystar.gov/index.cfm?c=new_specs.ssl_luminaires