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通用照明高亮度LED驱动器方案

发布者:topday   发布时间: 2010-04-22 09:27 浏览次数: :

       刚才大家说了照明是一个消耗电量的应用,所以提高照明效率是我们节能减排的一个重要目标。下面就来介绍一些安森美半导体关于LED照明的方案。首先我们要了解一下LED照明的分类和外形。LED照明主要分为两类,从驱动方式来说主要分为两个方面,一个是交流输入,一个是直流输入。交流输入主要是220伏、110伏,直流输入主要是比如说太阳能的路灯或者是一些汽车照明,手电筒都需要一些直流的输入,针对这两方面输入的特性有不同的方案,首先看LED照明外形,这些都是LED灯具分类的外形,针对这些灯具都有不同方案。

       首先我给大家介绍一下交流输入的LED的驱动方案。安森美半导体能提供什么样的方案?安森美半导体可以提供隔离和非隔离的方案,包括PFC控制的方案。PFC控制分为两方面,一个是传统的PFC的控制,另外一种是单段式的,既可以实现功率因数校正,又可以实现隔离输出的方案。我们针对LED的一些特性,我们还推出了一些高效率或者是配合可控硅、调光器的一些传统方案。从驱动器的拓扑架构来说,LED应用主要是两种,一种是小功率的应用,我们一般采用反激式的架构;针对一些大功率区域照明的话比如像路灯,我们一般会用半桥谐振软开关的驱动方案。

        从它整体架构来说,如果针对中小功率的话,我们会采用单级的变换,就是说用交流AC-DC的变换器同时实现恒流的输出,LED的驱动主要是一个恒电流驱动特性。所以传统的开关电源是一个恒压特性,LED的驱动是通过了一个恒流的区间,输出电压是由LED顺向电压决定的。恒压这部分主要是做保护,在LED开路的情况下有一个保护的功能。针对大功率应用,比如说像路灯的应用,由于考虑到输出功率比较大,后面会有很多LED的输出,如果用单路将很多LED串在一起,这样的系统的可靠性能会很低,所以采用分布式架构,就是说一个AC-DC的电源产生一个高压的直流输出,在直流输出之后再采用分布式的DC-DC恒流控制器来实现给恒流LED的驱动,这样实现一个模块化设计,会比较方便,这是针对一些大功率的配制方案。

       按功率等级来分的话,安森美半导体从1W到200W、300W都有全系列的解决方案,针对不同功率段也有详细的解决方案。首先来看一下1W到8W的方案,这里面如果没有功率因数要求的话,我们会推荐使用NCP1015。NCP1015有什么特点呢?这个控制器集成了一个PWM控制器和MOSFET,这就可以使灯具驱动器的体积做得很小,它在全电压范围内可以做到8W的功率,如果是单电压高压的输入可以做15W输出功率,这是一个8W的应用电路图的,这个电路非常简单,它采用光耦做恒流控制,然后用稳压管做恒压控制的电路,这是一种隔离的架构。在非隔离的架构里可以用NCP1015来做,它采用的是一种Buck架构,开关管在里面,它是采用一种降压的Buck架构。因为输入电压比较高,一般LED的电压比较低,所以它的开关管占空比会很小,所以我们一般会采用抽头电感的方式来提高开关管的占空比,这样可以实现一个精确的电流控制。如果占空比很小的话,电流的控制精确度就不是很好。
       8W-25W的应用,会推荐采用NCP1028或者NCP1351。NCP1028跟NCP1015类似,也是一个PWM控制器和MOSFET集成在一起的控制器,这样外围元件也会比较简单,而且提供的功能比NCP1015更加完备,可以在全电压输入范围做到15W的功率,在单电压输入不到25W的功率。NCP1351是一个控制器,它是外置MOSFET,通过选用不同的MOSFET控制管和变压器可以实现功率扩展,实现一个比较大的功率输出范围。这是NCP1028的电路图,它是15W的设计。这个NCP1351是一个外置MOSFET设计,可以做到25W。
       刚才介绍这些方案都是没有功率因数要求的,当然也可以在输入端加入谷底填充电路来做一些简单的功率因数的提高,但是从电路本身的拓扑架构图来说它是不具备有功率因数校正的功能。在欧盟如果电源功率大于25W的话,尤其照明方面会一些功率因数要求的,也是总谐波失真的要求。在2009年12月份完成的美国能源之星最新标准要求大于5W的LED照明都有功率因数的要求。一般做LED照明的时候由于竞争的需要,竞争对手不断推出高性能的产品,一般来说对功率因数都会有比较高的要求,所以安森美半导体针对这方面也提出了一些新的方案。这是欧盟的标准,大于25W要满足C类的标准。针对8W到25W功率等级有功率因数校正的要求,安森美半导体会有一个NCL30000器件来做LED驱动器。
       安森美半导体的一些器件都是NCP开头的,现在这个新的产品叫NCL,L就是Lighting,专门针对照明推出的一些新系列。NCL系列针对照明有一些性能上的提高,比如说照明环境温度范围可能要求更宽,所以新的系列做了相应的加强。NCL30000主要是在5W到20W带有功率因数要求的应用,包括一些射灯、户外照明。它带有精确恒流控制,而且功率因素比较高,效率比较高,它是采用单级的架构,就是说带有功率因数的同时又实现隔离输出的架构,因此它的效率也比较高,而且它能满足能源之星对于PAR灯系列的要求,整个灯具光效大于45W,包括电源效率和LED效率。还有一个比较强大的特点就是说它可以支持调光的方案,配合现有的调光,还有尾缘调光,可控硅是贴前沿,还有一些电子整流器是贴后沿调光,都可以有效支持,而且不影响驱动器的效率。NCL30000采用的控制模式是电压模式,固定导通时间的临界连续模式功率因数校正器,配合反激的架构。这是它的一个基本应用框图,这是NCL30000,这是变压器,而且它没有输入的电解电容,它输出的恒流和恒压采用一个控制器来控制。这个电路是一个可以配合可控硅调光的,它不需要额外的电路来检测这个可控硅的导通角。

       功率因数校正器从本质上来说是一个模拟纯负载,也就是说整个电源模拟纯电阻的特性,这样就不需要额外的给可控硅调光器提供一个维持电流,因为它已经是模拟纯负载的特性,纯电阻的特性。它的调光就是检测输入可控硅调光的面积,通过输入的面积来决定它的输出功率。当输入面积大的时候它的输出功率就大,当可控硅的导通角小,它的输入面积就小,输入面积小,它的输出功率就小,所以它是通过检测可控硅的面积来决定它的输出功率。由于LED恒压的器件,它的输出功率也随着可控硅的面积发生变化,电流也随着可控硅发生变化,这就是LED电流。X轴是可控硅的导通角,Y轴是LED的电流,随着导通角的变化,LED电流呈线型的变化,这样就可以实现可调光,它是通过控制LED的电流来实现这个LED的调光。而且针对市场不同的调光器我们都做了一个实验,它的一致性是相当好的。
        大功率的区域照明主要是分类,比如说50W到200W这些范围会用不同方案。NCP1652是一个连续模式的单级控制器,NCL30000是一个非连续模式的,临界连续模式的。连续模式的NCP1652输出功率可以更大一些,NCP1607加上NCP1397是一个传统的两段式架构,就是一个PFC加上LLC控制器,NCP1901是把PFC控制器和LLC集成在一起并加入一些新的特征。NCP1652是一个单段式的,也是一个反激的架构。这是一个50W到150W的方案,大家可能看到元件数量比较多,但是整个系统成本来说是比较低的。因为它与传统的两段式比较,它没有输入的大的电解电容,而且没有功率因数校正的电感,而且MOS管也只有一个,不需要PFC的MOS管,所以它的整个系统成本、体积来说也都具有明显的优势。
       以上介绍的是传统硬开关的方案,它的效率没有软开关的高。对于区域照明需要高能效的开关电源驱动器。美国能源之星关于区域照明要求灯具能效是每瓦55个流明以上,所以安森美半导体的大功率应用方案会采用谐振半桥式,就是LLC架构来做,NCP1397就是一个高性能半桥LLC控制器。这就是两段式架构,前面PFC用的是NCP1607以及LLC用NCP1397的200W的方案。
       值得特别介绍的是NCP1901最新型的PFC+半桥谐振控制器,可以达到更高效率,它的控制模式是怎么样?LLC半桥是工作在固定频率和固定占空比的状态,也就是说没有输出电压的反馈环路。由于工作在固定频率和固定占空比,整个电路谐振回路参数都是固定的。频率和占空比固定的话,谐振参数都可以达到最佳的匹配,也就是说使它的正激效率达到最高。由于它的频率和占空比是固定的,所以它的输出电压是跟随输入电压而变化的,也就是说输入的电压变化会影响到输出电压的变化,那么怎么样实现稳压呢?只要保证PFC的电压是稳定的,那么后面的电压就是稳定的。从整个电源的效率来说,这个方案比传统的PFC加上有反馈回路的LLC效率还要高一些。它有一个缺点就是输出纹波比较大一些,比如Buck电容纹波有20V的话,匝比是10:1,就有2V的纹波,但是在照明上是没有关系的。因为区域照明一般在后面DC-DC这一级做一个恒流的控制,所以这部分电压的纹波是不会影响到LED的照明驱动的,因为后面还有一个DC-DC的控制器,可以大大的提高前面电源的效率。
       安森美半导体在AC—DC、LED驱动方案里面推出了1W到200W覆盖整个功率范围的驱动器,也配合可控硅调光的方案,相关方案比较完备。同样在直流转直流以及手电筒LED驱动方案安森美半导体也有很多。主要介绍五个方案,第一个就是CAT4201,它主要是针对一些射灯的应用,一般来说射灯前面会有一个电子变压器,转化为12V的交流电,通过桥式整流之后变成直流,CAT4201主要是针对MR16应用。其实它是一个Buck的架构,它只是把这个开关管放到下端,因为LED照明是不需要共地的,所以可以把这个开关管放到下端来实现驱动,这是LED发光的二级管。MOS管和控制器集成在一起的,它可以实现从1W到3W的应用,输入电压可以到24V。
       针对大功率的LED,从1W到30W安森美半导体有一个新的器件NCL30100。这个器件是一个控制器,它需要一个外加MOS管,这样可以实现一个比较大功率范围的输出,它所采用的架构同样是MOS管在下端的Buck架构,这个IC的输入电压范围是6到18V,但是整个驱动器的输入电压范围可以做到很高的100V,因为它采用的外置MOS管,输入电压范围不会影响IC工作,只要保证IC的工作电压是在6到18V之间就可以,这个方案实现灵活的设计,在不同的功率范围,不同输入电压和不同的LED个数里面都可以用这个器件来做。它主要应用在射灯里面,MR16的射灯,也可以用在路灯后面的分布式DC-DC恒流驱动里面,都可以用这个器件来做,它实现了一个灵活的设计。

        上面讲的是降压的架构,针对升压的架构安森美半导体有NCP3065和3066。当后面LED数量比较多,需要把电压升起来驱动LED。这个器件其实可以用在降压、升压、SEPIC和逆变器,但是在LED的照明方面,主要用作升压的控制,是一个升压控制器的架构。它主要的功率范围是20W,它也是开关管和控制器集成在一起。针对手电筒运用方案有两种,一个是升压架构,一个是降压架构。升压方面,比如说输入电压比较低,要驱动白光LED就需要电压升起来,就可以采用一个升压架构,内置MOS管的,输入电压1V到2.5V,驱动一个白光LED,因为白光LED的输入电压一般大于3V,需要一个升压的架构。降压方面,比如说手电筒、头灯用的也是锂电池,锂电池电压比较高,4V到5V,驱动一颗白光LED需要降压,降压就可以用NCP1529来做一个Buck架构来驱动LED。安森美半导体有很多的照明方案,以上介绍的只是一些常规应用比较多的方案,安森美半导体也可以提供一些特殊方案。

        下面来介绍一些线性恒流稳压器方案,线性恒流稳压器主要针对一些小功率应用,它是两个引脚的器件,是一个线性恒流器件,一般线性恒流不会超过30毫安。这是线性恒流控制器产品的目录,小功率的是两个脚,非常简单,大功率的有不同的封装,线性恒流方案的效率没有开关方案的高,它的主要特点就是应用电路非常简单。

       针对LED照明还有一些保护器件。我们知道LED照明里经常会用到LED的串联,而白光LED的失效模式是一种开路模式,就是它损坏了之后是断开的。所以当一个LED失效了,断开了之后,整个灯具这一串都不亮了。由于它是用串联的应用,所以它平均无故障时间是非常低的,就是说会大大影响整个灯具的寿命。一般来说检测一个灯具寿命的标准,像美国之星的标准就是亮度降到70%以下的话就是说这个灯具失效了,寿命已经终止了。当一串LED损坏的话,一般来说它的发光亮度很可能就小于70%。而一个损坏的话不会影响整个灯具光效,所以它的寿命会大大延长。当这两个LED开路的话,它两边的器件并在每个LED的边上,当LED开路的话,它的电流是流过这个保护器件然后继续往下流,在正常情况下它是不工作的,没有电流的,所以不会增加额外的损耗,当故障的时候还会导通,这样使其它的LED继续工作,这样就可以大大提高灯具的寿命。这个器件应用在很多路灯领域,因为路灯维护起来是非常麻烦,应用这个器件使灯具寿命有效延长。
   
       总结一下,固态照明也就是LED照明随着高亮度、高功率LED出现而快速的发展,现在一些主流LED厂家光效可以达到200lm/W,而现在一般常用的LED都在100lm/W左右,所以说随着LED的光效不断提高,LED照明整个的效率会达到一个更高的水平,这样节能的效果会更明显。LED驱动的关键就是恒流的驱动,而且根据不同的输入电压,不同的LED的配制情况有不同的一些方案。当然在灯具设计中,驱动器的设计只是其中的一部分,还要考虑到一些热的设计,光学的设计。其实LED驱动器的方案在照明方面时间并不是很长,所以各家半导体公司都在为这些驱动器提供一些新的方案,包括安森美半导体也推出NCL系列,专门针对照明应用而设计的方案。我的介绍就到这里,谢谢大家。

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