采用NCL30000的單段式CrM TRIAC調光LED驅動器設計

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" title="功率因數">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" title="能源之星">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" title="光效">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" title="高功率">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+)。

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" title="反激">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。
 
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。