LED通用照明设计工程师会遇到许多挑战，如功率密度、功率因数校正(PFC)、空间受限和可靠性等。这些LED照明设计挑战和电源设计挑战类似，具体讲，LED通用照明有以下几个挑战：由于总光效要求及散热限制的影响，即使是低功率应用能效也很重要；在许多情况下，较低功率也要求功率因数校正和谐波处理；在空间受限应用中，特别是替代灯泡应用时，对驱动功率密度的要求很高；总体电源可靠性对提高整个灯的寿命非常重要；宽输入电源电压范围应该支持高达277Vac；兼容TRIAC调光等传统特定照明要求。

本文主要介绍用于LED照明的AC-DC电源设计方案及相关电路，帮助工程师应对上述挑战，设计出满足通用照明要求的产品。下面我们先来了解AC-DC电源转换拓扑结构。

AC-DC电源转换拓扑结构比较

对于低功率AC-DC LED电源转换而言，可以选择隔离型反激或非隔离降压等不同拓扑结构。所谓“隔离”,是指输入与输出之间采用变压器等进行电气隔离。这两种拓扑结构各有其特点。相比较而言，非隔离拓扑结构设计及电路板配置简单、电路板尺寸小、元件数量少、能效更高，而隔离拓扑结构易于满足安规要求，但磁学设计复杂，要求较大的电路板尺寸。本文将聚集于隔离型拓扑结构的AC-DC LED驱动器方案。

提供高功率因数的NCL30000隔离型LED驱动器方案

要提供高功率因数，同时符合其它应用要求，就有必要使用高功率因数的电路架构。这样一来，传统的两段式架构(PFC升压+脉宽调制(PWM)反激转换)就无法满足要求了。有利的是，诸如安森美半导体NCL30000功率因数校正可调光LED驱动器采用单段式架构(见图1)，可以提供达0.9甚至更高的功率因数。这器件采用紧凑的8引脚表面贴装封装，使用临界导电模式(CrM)反激架构，以单段式拓扑结构提供大于0.95的高功率因数，省下专门的DC-DC转换电源段，帮助减少元器件数量，降低系统总成本。

图1 传统两段式架构与改进的单段式架构对比

NCL30000 采用的恒定导通时间CrM工作特别适合于隔离型反激LED应用，因为控制塬理简单，即使在低功率电平时，也能够提供极高能效。NCL30000工作温度范围为-40至+125℃，确保能用于大多数LED通用照明应用中规定的不同环境工作范围。NCL30000拥有典型值24微安的低启动电流及典型值2mA的低工作电流，配合高能效设计。这器件也集成前沿消隐(LEB)电路，防止故障触发，还集成强固的故障处理能力。

图2 基于NCL30000的隔离型反激LED驱动器GreenPoint参考设计简化框图

配合TRIAC调光

除了要提供相关规范标准所要求的高能效及高功率因数，考虑特定的终端应用需求也很重要。如目前最常用的灯光亮度调控方法是叁端双向可控硅开关器件 (TRIAC)调光。但TRIAC调光器塬本针对电阻型负载的白炽灯(白炽灯在电路中的作用就象是电阻)。因此，LED驱动器

图3 NCL30000调光性能演示(通过改变调光器位置来在350 mA至1.7mA之间调光)

有利的是，NCL30000兼容尾沿晶体管调光器及前沿TRIAC调光器，能够提供高于0.95的高功率因数，使输入电流波形看上去像是电阻型负载的波形，而这对兼容TRIAC调光器非常重要，因为用示波器截取的波形显示，优化设计的NCL30000单段式CrM反激LED驱动器的基本电流波形与输入电压波形保持同相(参见图3)。

演示板能效测试结果

安森美半导体基于NCL30000开发了目标功率低于18W、支持4至15颗LED350 mA且支持TRIAC调光(针对12颗LED进行预配置)的参考设计演示电路板。输入电压范围为90至305 Vac的NCL30000演示电路板的能效测试结果显示，宽输入电压范围下的功率因数达到或超过0.95,且在宽LED正向电压条件下维持极佳稳流效果和高能效。

图4 演示板测量能效结果

应用示例

对于LED照明应用而言，灯泡替代是重要的应用领域，如抛物形渗铝反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型灯替代(如A19)等。但灯泡替代应用存在独特挑战，如散热限制、尺寸受限及兼容的调光技术等。

图5 NCL30000的11 W LED PAR30灯泡改造示例

以 PAR30灯泡替代应用为例，AND8463/D 介绍了如何使用NCL30000单段式功率因数校正隔离型反激控制器来设计LED PAR30灯的完整电源转换方案，用于驱动串联-并联配置的3串共24颗LED(每串8颗LED，每串电流150mA，3串共450mA)。这参考设计使用市场上购得的LED散热片和E27 Edison底座，有效处理散热及尺寸受限问题。此设计的目标输出功率为11W，包含115Vac版本(功率因数高于0.9,输入电流THD《20%)和230 Vac(遵从IEC61000-3-2规范)两种版本，LED电流稳流精度达±5%，LED电压范围21至27 Vdc,能效高于82%,兼容TRIAC及电子低压调光器调光，且遵从FCC B类导电型EMI标准。

PAR30灯泡是特定指向照明的一个示例。现实中也存在许多全向照明应用，如A型灯。LED A型灯以标准A型灯尺寸来替代传统A型白炽灯，是商业及住宅照明应用的极佳节能替代解决方案，不仅更环保，而且更易于维护和替代。传统白炽灯存在不同功率等级，如40W(光输出约450 lm)或60W(光输出约600至800lm)。如今一流的暖白光LED的光效处在100 lm/W范围内。考虑到热效应及光电转换效率，要提供450 lm光输出，大约需要5至7颗LED.安森美半导体目前正在开发应用于LED A型灯的NCL30000 TRIAC可调光方案。

图6 NCP1607的高功率因数A19灯泡E26/E27驱动器

有利的是，此方案是基于临界导电模式功率因数校正控制器NCP1607开发出了A19灯泡LED驱动器设计(见图6)。这设计的输入电压范围为90至265 Vac,额定输出功率约为6.4 W(16.5 @ 400 mA)，采用隔离型单段式设计，在输入电压范围内功率因数高于0.9,能效高于80%,符合IEC61000-3-2 C类谐波含量标准(输入THD《15%)，遵从FCC B类导电型辐射标准，设计时就顾及到了符合UL8750安规，并符合“能源之星”针对整体式LED灯泡的1.1版规范要求。

设计方案

对用于LED照明的AC-DC电源设计方案，1至10 W的照明应用中推荐使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,这些方案集成了MOS管，适用于隔离和非隔离应用，支持次级PWM调光、模拟调光或双亮度等级调光，能效高达75-80%;1至30 W的应用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔离方案，典型能效85%左右；1至40 W推荐使用NCL30000,可进行初级可控硅调光，适用于隔离和非隔离方案，隔离方案能效80-85%。40至150 W推荐使用NCL30001,它是一个连续导电模式(CCM)控制芯片，隔离方案的典型能效85-90%；更大功率推荐使用NCL30051.下图7是这些方案输出功率与能效的对比。以下将具体介绍这些方案的功能和特点。

图7:LED照明的AC-DC电源方案输出功率与效率的对比

总结

本文围绕低功率AC-DCLED通用照明应用，着重分析了隔离型LED驱动器的应用设计方案，相应的介绍了单段式隔离型高功率因数LED驱动器方案NCL30000, 并分析了NCL30000如何配合相关要求，如支持TRIAC调光、提供高能效、恰当散热及符合相关能效规范标准，并利用在高能效电源及封装方面的核心专长及优势，为LED照明应用，特别是通用照明提供了符合各种规范要求控制和驱动器件。这些方案采用独特的LED驱动电源架构、模拟及调光技术、反激转换器及非隔离拓扑结构，配合广泛的应用范围，为实现各种通用照明设备提供更多的选择。

来源：电源网