安森美半導體用於LED燈泡等應用的NCL3008x高能效初級端穩流方案

安森美半導體用於LED燈泡等應用的NCL3008x高能效初級端穩流方案
近年來，世界上多個國家制定政策以分階段淘汰白熾燈泡。眾所周知，螢光燈及緊湊型螢光燈(CFL)的能效比白熾燈高，但含劇毒物質汞，存在環保顧慮。相比較而言，具備環保優勢、近年來成本穩步下降的高亮度白光LED技術已經快速改進，如今在光輸出方面已可與CFL等正面交鋒，並且還大幅提升能效及延長使用壽命，適合於白熾燈泡替代等LED一般照明應用。
LED燈泡的驅動挑戰及常見驅動方法
大多數LED是低電壓元件，最適合採用恆定電流驅動。要在一般照明應用中最大限度發揮LED節能優勢，就要採用適合的LED驅動電路。
以LED燈泡為例，典型的LED燈泡包含LED陣列、驅動電路、散光罩、散熱片和螺旋燈頭等主要組件。就驅動電路而言，高能效LED驅動器IC無疑是其中的重點。因為LED燈泡的形狀固定，散熱受限，採用高能效LED驅動器則可幫助將更多電能轉化為光能，幫助散熱。此外，由於LED燈泡空間有限，故須減小驅動電子電路的尺寸以使剩餘空間增多，同時增大的散熱片面積；較大功率的燈泡尤為如此。不僅如此，LED正在發生迅速變化，提供多種選擇，這對LED驅動器的選擇也構成了挑戰。出於安規、LED選擇等因素，設計人員還須考慮是採用隔離還是非隔離拓撲結構，由此也影響到LED驅動器的選擇。                                
圖1：典型LED燈泡剖視圖。                                                   

一種常見的LED驅動器拓撲結構是隔離型返馳(見圖2)。此拓撲結構除了提供電氣安全隔離以外，還能對LED串要求的電流進行穩流。安全低電壓次級端的電路感測LED電流及電壓，並在安全界限內提供回饋訊號，以控制電源轉換過程。次級端元件包括偏置電路、雙運算放大器、精密參考、用於回饋的光耦，及用於監測LED電流及感測過壓保護故障的電流及電壓感測電阻等。

圖2：常見的驅動LED串的隔離型返馳拓撲結構。

此經典方案的優勢與缺點並存。例如，它可以輕易地實現高精度的穩流，且能夠在寬工作範圍及製造差異條件下可靠地工作。但此方案的次級端控制電路消耗電能，由於此電能未轉化為光，故降低了能效。此外，次級端的元件在印刷電路板上佔用空間並增加成本。最後，如果次級端任何元件有故障，仍須把驅動器設計成就算有故障也保安全。
克服經典方案缺點的新穎的初級端穩流技術
有利的是，設計人員可以選擇一種新的控制架構，將所要求的LED穩流功能從次級端移到初級端，即採用初級端穩流(Primary Side Regulation, PSR)技術(亦稱「初級端控制」)，見圖3。初級端穩流方案無須光耦，以及次級端恆流恆壓(CCCV)控制迴路元件，如運算放大器、TL431或齊納參考、偏置穩壓器、電流感測電阻及用於過壓保護的電壓感測等，同時在初級端維持高穩流精度。這就提供減少元件數量、簡化PCB佈線、節省電路板空間、簡化LED選擇、提升能效及輕易符合安規等諸多優勢。據統計，設計人員通過消除次級端控制，能夠省去佔用寶貴電路板空間的16至18顆甚或更多元件，這對A19 LED燈泡等應用尤為重要。

圖3：新穎的初級端穩流技術省去次級端控制，提供多種應用優勢。

安森美半導體應用初級端穩流技術的NCL3008x系列LED驅動器功能及優勢
安森美半導體的NCL3008x系列準諧振初級端電流模式控制器使用初級端穩流技術，為返馳及非隔離降壓-升壓拓撲結構提供高精度的恆定電流，非常適合於LED照明應用。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083。這些元件提供TSOP-6及Micro-8封裝，還可根據客戶需求提供SOIC-8封裝。NCL3008x系列提供0.8至0.9甚至更高的功率因數，符合美國「能源之星」對輸入功率大於5 W之燈泡功率因數高於0.7的要求。這些元件的引腳數量及功能不盡相同，分別針對不同的細分應用，詳見表1。
NCL3008x系列的關鍵優勢包括：
1)        一流的初級端穩流精度。由於初級端穩流精度高，能夠補償線路輸入電壓變化，不受常規變壓器製造差異影響，可簡化LED的選擇(無須使用過高規格/過高成本的元件來滿足流明輸出要求)，能支持2:1輸出正向電壓變化(無須對LED進行編碼，可將一個驅動器設計用於多種產品，且在LED性能提升後還能使用相同的驅動器)；
2)        採用準諧振模式工作以提供高能效，僅產生少量電磁干擾(EMI)；
3)        提供強固的保護特性，如過壓保護/LED開路保護、次級端二極體短路保護、過熱關閉、輸入欠壓保護、軟啟動、短路保護、短路電流感測、提供閂鎖及自動恢復版本等。
4)        彈性的產品系列。提供不同功能組合，配合使用者不同應用需求。

表1：安森美半導體NCL3008x系列產品概覽。

這些元件中，NCL30080是簡單及低BOM成本版本，NCL30081則增加了5步准對數調光功能。NCL30082具備熱反走/過壓保護及類比/數位調光功能，還增加了5步准對數調光及軟啟動功能。

圖4：NCL30081和NCL30083增加了5步准對數調光功能。

基於NCL3008x系列的A型燈LED驅動器參考設計示例
安森美半導體開發了基於NCL3008x系列的多種LED A型燈參考設計。測試顯示，這些設計提供高穩流精度、高功率因數及高能效。
1)        基於NCL        30082B1的初級端回饋、高功率因數、TRIAC可調光A型燈LED驅動器設計

2)        基於NCL30080的初級端回饋、返馳拓撲結構A型燈LED驅動器設計

3)        基於NCL30082/3的初級端回饋、分步調光、返馳A型燈LED驅動器設計

總結：
安森美半導體針對交流供電LED照明應用開發了專有的初級端恆流控制技術，並應用在NCL3008x系列目前已有的4款高能效諧振模式初級端控制器上。這系列產品提供多種應用優勢，能夠幫助設計減少元件數量、節省電路板空間、提升能效、簡化LED選擇及提供高能效，且提供最佳化的功能組合，以因應客戶不同應用需求。