安森美半導體中高功率照明LED驅動器方案

LED的諸多優點已經使其逐步取代白熾燈、螢光燈等傳統光源，在小功率應用上越來越頻繁地出現在我們日常工作生活中；而在我們傳統定義的20至400瓦的中高功率照明範圍內，螢光燈、高光度放電燈還是主流。但隨著大功率LED產品的不斷推陳出新，模組化的LED燈條、大陣列LED等產品的出現，公路、體育館、戶外大型設施等需要大功率照明的應用場景中也越來越多出現LED產品的身影。
LED照明電路相對設計簡單；能集成控制、可方便實現調光、能有效降低電力消耗。所以在強調智能、綠色照明的今天，中高功率LED產品逐步替代高光度放電燈（HID）等傳統光源已是大勢所趨。但我們也發現，模組化的LED燈條和陣列對電源驅動的要求不盡相同；如何為中高功率LED照明產品提供可靠、高效、靈活的驅動電源方案是設計人員常面臨的挑戰。安森美半導體積極推動高能效創新，充分利用在電源領域的豐富經驗，提供應用於LED照明不同的領域。而針對中大功率LED照明應用的不同需求，安森美半導體提供功率因數校正(PFC）控制器、準諧振及固定頻率的返馳控制器和開關穩壓器、集成MOS的降壓控制器、半橋驅動及LLC控制器、次級端控制器、集成PFC及PWM的組合控制器等多種控制器及其方案等，以滿足不同電路拓撲設計的不同需求。
單段式功率因數校正(PFC)方案
功率因數校正(PFC)可有效改善高諧波分量給電源線、斷路開關、電力設施帶來的壓力。PFC控制器一般可以分為單段式和多段式(常見兩段式)兩種結構；單段式(如圖1所示）可直接電流驅動，只需單個開關及磁性元件，缺點則是100/120 Hz漣波、MOSFET應力更大、占空比更大且功率限制在100-150 W。

圖1. 單段式PFC結構示意圖
典型的單段式PFC LED驅動方案有如安森美半導體的NCL30000，這裝置使用臨界導電模式(CrM)返馳架構，以單段式拓撲結構提供高功率因數設計。安森美半導體基於NCL30000構建的25 W高功率因數單段式LED驅動器參考設計接受90-305Vac寬輸入電壓範圍，能效高於87%，輸入電流總諧波失真(THD)小於15%，功率因數(PF)大於0.97，輸出功率25 W(Vf=36Vdc)，LED電流700mA±4%，最大LED電壓44Vdc。安森美半導體還推出了單段式連續電流模式(CCM) PFC LED驅動器NCL30001，可以配置為恒流驅動器或固定輸出電壓驅動器，適合40 W到150 W LED照明設計。
兩段式PFC + DC-DC轉換方案
除了上述單段式方案，設計人員還可以根據應用需求選擇傳統的兩段式(PFC段+DC-DC轉換段)方案(如圖2所示)；前段PFC的功能一方面實現輸入電流整形以減小輸入電流諧波，另一方面將輸入交流電壓轉換為穩定的直流電壓(變化範圍一般為380 V-400 V)，後段的DC-DC轉換器實現隔離和變換，將穩定直流電壓變換為所需要的電壓，通常可以用返馳、LLC或者降壓實現，其優點是易於擴展功率和尺寸、易於提供次級端偏置電源，但相對的會帶來成本上的增加。

圖2. 兩段式PFC結構示意圖
具體而言，兩段式方案中的PFC段可選用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654及NCP1652A/ NCL30001等。
其中，NCP1605是增強型高壓、高能效待機模式功率因數控制器，工作在固定頻率非連續導電模式(DCM)和/或臨界導電模式(CrM)。NCP1605能夠作為PFC主控端工作，確保電源的第二段僅在安全條件下啟動，它集成跳週期功能，將待機損耗降到最低。
NCP1631則是安森美半導體推出的一款單晶片2相交錯式PFC控制器，可以替代2顆NCP1601，驅動2個PFC支路，提供接近1的高功率因數。
採用傳統的CrM/BCM控制時，負載減少時開關頻率上升，輕載時控制器可能進入「突發的調頻模式」，產生雜訊；採用電流控制頻率反走(CCFF）控制時，負載減小時開關頻率減小、降低雜訊，輕載時控制器頻率較低，可在高於可聽頻帶的頻率鉗位，極輕載時採用跳週期模式工作，可以關閉以提升更好的THD，谷底導通進一步提升能效，減小電磁干擾(EMI)(如圖3所示)。NCP1611/NCP1612基於創新的CCFF架構，在PFC電感電流超過設定值時，電路通常工作在臨界導電模式(CrM)，而當電流低於預設值時，將開關頻率線性降低至約20 kHz，此時電流為零。NCP1615同樣基於CCFF架構，當電流在預設水準以下時，NCP1615晶片的控制頻率會線性衰減到26KHz。

圖3. 電流控制頻率反走(CCFF)架構原理說明
對於兩段式方案而言，在高壓DC-DC次級段，單開關返馳架構(圖4所示）能效高、設計簡單，但功率設計通常小於100 W。安森美半導體作為業內領先的固定頻率及準諧振(QR)控制方案供應商，提供的準諧振固定頻率返馳控制晶片具備高壓啟動、QR谷底鎖定、強固的故障保護、全線產品系列(控制器最低6個引腳)等特點。從業內率先推出第一代高壓準諧振返馳控制晶片NCP1207/NCP1308，到第二代提供更多保護功能的NCP1337/NCP1338，再到第三代輕載能效大幅提升的NCP1380，直到最新的第四代改善空載能耗的NCP1339，安森美半導體一直都在不斷努力，開發更多滿足客戶更廣泛需求的晶片產品。

圖4. 高壓DC-DC次級端返馳拓撲示意圖
而相較於其他諧振拓撲，LLC串聯諧振轉換器(圖5所示)則能夠在相對寬的輸入電壓及輸出負責範圍下工作；所需元器件數量則更少，諧振儲能元件能夠集成到單個變壓器中，初級端開關在所有額定負載條件下能實現零電壓開關(ZVS)，次級端二極體能夠實現零電流開關(ZCS)，沒有反向恢復損耗，所以作為一種C/P值高、高能效及低EMI方案，常用於高輸出電壓的應用中。
NCP1398作為第五代高性能LLC串聯諧振控制器，工作頻率可以從50kHz高至750kHz，可調節最小開關頻率精度達到±3%，可調節死區時間，帶外部可調節軟啟動，精密及高阻抗輸入欠壓保護。用於過溫或過壓等嚴重故障條件下閂鎖輸入腳，基於定時器的可自動恢復過流保護，閂鎖輸出短路保護，on/off控制關閉輸入腳，跳週期模式，帶可調節遲滯、Vcc工作電壓達20V、共集電極光耦連接、簡化Oring控制、內置過溫關閉；600V半橋驅動器，帶1A/0.5A汲/源驅動能力，NCP1398B還提供回饋環路開路保護。

圖5. 高壓DC-DC次級端LLC串聯諧振示意圖
組合控制器方案
NCL30051是一款PFC及諧振半橋組合控制器，這器件集成了一個CrMPFC控制器及一個半橋諧振控制器，並內置600 V驅動器，針對離線電源應用進行了最佳化，採用SOIC16封裝，具備了所有實現高能效、小外形設計所需的特性。相比傳統途徑的CrM PFC+LLC通過改變LLC頻率來控制功率，NCL30051則是改變PFC大電容電壓來控制功率，侷限在於大電容電壓的動態範圍，優點則是簡化了固定電壓LED驅動器設計。
總結
LED照明正快速演變，新的驅動方案需要能夠配合市場上最新的LED應用；同時，為提升能效及降低系統總成本，拓撲結構的選擇也在演變。為滿足中高功率LED照明驅動的需求，安森美半導體提供了陣容齊全、相輔相成的方案，包括單段式PFC方案，以及PFC+DC-DC轉換的兩段式方案，滿足不同的中大功率LED照明應用的需求。

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