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  • 低功率LED通用照明驱动方案
  • 帖子创建时间:2011-09-22  评论:1   浏览:1042
  • 低功率LED照明应用一般指功率为30 W以下的LED照明,包括特定指向照明,如橱柜内照明、嵌灯、射灯PAR20/30/38灯光替代、台灯等,以及全向照明,如重点照明、家电、通用照明A型灯替代、装饰性灯具及吊扇灯等。本文将在分析低功率LED通用照明驱动方案的要求、特点及选择驱动的考虑因素的基础上,介绍几种典型的低功率LED通用照明驱动方案,并进一步介绍对低功率LED照明功率因数的改善方案及应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案。

    1 低功率LED驱动器的特性及选择要点

    小功率的LED电源通常以恒流驱动,其恒压功能是在输出开路的情况下做为保护功能。小功率LED驱动器特性如图1所示。

    图1:小功率LED驱动器特性
    LED驱动器的主要功能,就是在工作条件范围下限制电流,而无论输入及输出条件如何变化。其应用设计面临多种限制条件,如高能效(低损耗)、高性价比、宽环境条件、高可靠性、灵活、符合电磁干扰(EMI)及谐波含量等方面的标准、可改造用于已有应用及能采用传统控制方式工作等。

    要为低功率LED应用选择适合的驱动器并不容易,需要顾及不同的因素。例如,商业和住宅市场对LED灯具在工作温度、使用时长、性能及“能源之星”等行业标准方面的要求并不相同。此外,灯泡替代应用也存在着独特挑战,如LED电源及驱动器的热度限制、尺寸受限及兼容的调光技术等。

    就LED通用照明适用的标准而言,主要有美国“能源之星”要求的功率因数校正(PFC)标准以及欧盟的国际电工委员会(IEC)对总谐波失真的限制标准。其中,“能源之星”V1版灯具标准是自愿性标准,要求LED照明灯具具备PFC,适用于嵌灯、橱柜灯及台灯等特定产品,但与功率电平无关。这标准要求住宅应用的功率因数(PF)高于0.7,而商业应用高于0.9。

    如前所述,为低功率LED照明应用选择适合的驱动器须考虑众多因素,这其中,有关功率因数等行业标准尤为重要。接下来,我们将以安森美半导体的几款低功率LED通用照明驱动方案为例,探讨如何在低功率照明应用中提供高功率因数。

    2 DC-DC供电的低功率LED照明应用方案

    LED通用照明有AC-DC供电和DC-DC供电两种方式,其中AC-DC供电的低功率LED通用照明应用及方案在第一讲LED照明驱动方案选型中已经大体介绍过,所以在此不做赘述,本讲主要根据功率的不同来介绍DC-DC供电的低功率LED通用照明方案。

    2.1  1 W-3 W DC-DC LED降压应用
    典型1 W-3 W DC-DC LED降压照明应用包括MR11/MR16、汽车照明、太阳能供电等。这类应用的输入电压为5到28 Vdc,支持350 mA和700 mA恒流输出,频率达500 kHz至2 MHz,能效不低于90%,工作温度范围为-40℃至125℃。在这类应用中,可以采用CAT4201降压LED驱动器。CAT4201拥有专利的开关控制架构,可驱动7颗串联LED(24 V输入时),能效高达94%,并提供LED开路保护、限流和过热保护等保护特性,应用电路见图2。

     

    图2:CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案
    2.2  1 W-3 W手电筒LED升压/降压应用
    1 W-3 W手电筒LED应用中既有升压型,也有降压型。升压型应用的输入电压范围为1至2.5 Vdc,工作频率达1.2 MHz;降压型应用的输入电压范围为4至5.5 Vdc,频率达1.7 MHz。两类应用都需支持350 mA或600 mA恒流输出,能效高于90%。在1-3 W手电筒升压LED应用可采用NCP1421升压DC-DC转换器,同等功率范围的手电筒降压LED应用可以采用NCP1529低压降压转换器,应用电路图如图3所示。

    图3:基于NCP1421的升压型和基于NCP1529的降压型1-3 W手电筒LED应用
    2.3  3 W-20 W DC-DC LED升压应用
    典型3 W-20 W DC-DC LED升压应用常见于DC-DC LED驱动器。这类应用的输入电压为5至28 Vdc,支持350 mA或700 mA恒流输出,能效不低于90%。这类应用可以采用NCP3065/NCP3066 LED驱动器。NCP3065/NCP3066能够配置为降压、升压、单端初级电感转换器(SEPIC)和逆变器等不同模式,并提供相应的汽车应用版本,即NCV3065/NCV3066。图4显示的是NCP3066的升压配置LED应用电路图。

    图4:采用升压配置的NCP3066用于3-20W DC-DC LED升压应用

    2.4  1 W-30 W DC-DC LED降压应用
    典型1 W-30W DC-DC LED降压应用包括MR16射灯、街道照明中的次级端DC-DC LED驱动器。这类应用中,输入电压范围为7 至120 Vdc,输出电压范围为6至110 Vdc,支持350 mA、700 mA或1 A恒流输出,能效不低于90%。这类应用可以采用NCL30100降压LED驱动器,这器件外置开关MOSFET,提供灵活的输入电压和输出电流设计,能效高于95%,其应用电路图参见图5。

    图5:基于NCL30010的1-30 W DC-DC LED降压应用
    3 改善低功率LED住宅照明应用能效的方案

    以住宅照明的台灯和橱柜灯等应用为例,功率一般在3 W到8 W之间。这样的低功率应用最适合采用隔离型反激拓扑结构。但传统离线反激电源转换器在开关稳压器前面采用全波整流桥及大电容,这种配置的功率利用率或输入线路波形的PF较低,仅在0.5至0.6的范围。这就要引入PFC。如可在反激转换器前采用NCP1607B这样的有源PFC,能提供高于0.98的PF,但增加了元件数量及复杂性,且最适合的功率远高于本应用要求。无源PFC方案众多,可改善PF,但通常都使用较多额外元件,增加成本及电路板占用空间,并降低可靠性。

    图6:改善了功率因数的NCP1014应用电路图
    实际上,高功率因数通常需要正弦线路电流,且要求线路电流及电流之间的相位差极小。修改传统设计的第一步就是在开关段前获得极低电容,从而支持更贴近正弦波形的输入电流。这使整流电压跟随线路电压,产生更合意的正弦输入电流,反激转换器的输入电压就以线路频率的2倍跟随整流正弦电压波形。如果输入电流保持在相同波形,功率因数就高。NCP1014自供电单片开关稳压器采用固定频率工作,电流不能上升到高于某个特定点;这个点由输入电压及开关周期或导电时间结束前的初级电感来确定。由于导电时间的限制,输入电流将跟随输入电压的波形,从而提供更高的功率因数。

    图7:基于NCP1014的演示板在20℃环境温度及8.0 W输出功率下提供更高功率因数

    4 应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案

    要针对低功率LED照明应用提供高于0.9的功率因数及低总谐波失真,以适合商业应用要求,就有必要使用新的拓扑结构。在这种情况下,可以使用基于NCL30000临界导电模式(CrM)反激控制器的单段式CrM反激拓扑结构。单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段,帮助减少元器件数量,降低系统总成本,并提供高功率因数。图8显示的是基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。

    图8:基于NCL30000的单段式CrM反激LED驱动器GreenPoint®s21参考设计简化框图
    在针对商业照明的应用中使用的是宽动态范围的精确导通时间控制器方案NCL30000。设计中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之间实现折衷、能以单颗控制器支持宽功率范围(5到30 W)、及便于优化散热及灵活布线等。基于NCL30000构建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)测试显示,功率因数远高于0.9,部分输入电压条件下功率因数甚至高于0.95(见图9),能效也极高。

    图9:基于NCL30000的演示板PF及THD测试结果
    总结

    本文以安森美半导体的几种LED驱动器为例,介绍低功率LED通用照明驱动器的选择要点、应用方案及功率因数的改善方案,目的是帮助工程师选择LED驱动器及设计高能效低功率LED通用照明。还有很多其他的公司也提供高能效的LED驱动器及解决方案,工程师可以根据自己的实际情况进行合理的选择。


    本文来自电子快线://e-brt/Support/docs_info.aspx?id=433

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  • 523977095  2011-09-22

    低功率LED照明应用一般指功率为30 W以下的LED照明,包括特定指向照明,如橱柜内照明、嵌灯、射灯PAR20/30/38灯光替代、台灯等,以及全向照明,如重点照明、家电、通用照明A型灯替代、装饰性灯具及吊扇灯等。本文将在分析低功率LED通用照明驱动方案的要求、特点及选择驱动的考虑因素的基础上,介绍几种典型的低功率LED通用照明驱动方案,并进一步介绍对低功率LED照明功率因数的改善方案及应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案。

    1 低功率LED驱动器的特性及选择要点

    小功率的LED电源通常以恒流驱动,其恒压功能是在输出开路的情况下做为保护功能。小功率LED驱动器特性如图1所示。

    图1:小功率LED驱动器特性
    LED驱动器的主要功能,就是在工作条件范围下限制电流,而无论输入及输出条件如何变化。其应用设计面临多种限制条件,如高能效(低损耗)、高性价比、宽环境条件、高可靠性、灵活、符合电磁干扰(EMI)及谐波含量等方面的标准、可改造用于已有应用及能采用传统控制方式工作等。

    要为低功率LED应用选择适合的驱动器并不容易,需要顾及不同的因素。例如,商业和住宅市场对LED灯具在工作温度、使用时长、性能及“能源之星”等行业标准方面的要求并不相同。此外,灯泡替代应用也存在着独特挑战,如LED电源及驱动器的热度限制、尺寸受限及兼容的调光技术等。

    就LED通用照明适用的标准而言,主要有美国“能源之星”要求的功率因数校正(PFC)标准以及欧盟的国际电工委员会(IEC)对总谐波失真的限制标准。其中,“能源之星”V1版灯具标准是自愿性标准,要求LED照明灯具具备PFC,适用于嵌灯、橱柜灯及台灯等特定产品,但与功率电平无关。这标准要求住宅应用的功率因数(PF)高于0.7,而商业应用高于0.9。

    如前所述,为低功率LED照明应用选择适合的驱动器须考虑众多因素,这其中,有关功率因数等行业标准尤为重要。接下来,我们将以安森美半导体的几款低功率LED通用照明驱动方案为例,探讨如何在低功率照明应用中提供高功率因数。

    2 DC-DC供电的低功率LED照明应用方案

    LED通用照明有AC-DC供电和DC-DC供电两种方式,其中AC-DC供电的低功率LED通用照明应用及方案在第一讲LED照明驱动方案选型中已经大体介绍过,所以在此不做赘述,本讲主要根据功率的不同来介绍DC-DC供电的低功率LED通用照明方案。

    2.1  1 W-3 W DC-DC LED降压应用
    典型1 W-3 W DC-DC LED降压照明应用包括MR11/MR16、汽车照明、太阳能供电等。这类应用的输入电压为5到28 Vdc,支持350 mA和700 mA恒流输出,频率达500 kHz至2 MHz,能效不低于90%,工作温度范围为-40℃至125℃。在这类应用中,可以采用CAT4201降压LED驱动器。CAT4201拥有专利的开关控制架构,可驱动7颗串联LED(24 V输入时),能效高达94%,并提供LED开路保护、限流和过热保护等保护特性,应用电路见图2。

     

    图2:CAT4201 1-3 W DC-DC LED方案
    2.2  1 W-3 W手电筒LED升压/降压应用
    1 W-3 W手电筒LED应用中既有升压型,也有降压型。升压型应用的输入电压范围为1至2.5 Vdc,工作频率达1.2 MHz;降压型应用的输入电压范围为4至5.5 Vdc,频率达1.7 MHz。两类应用都需支持350 mA或600 mA恒流输出,能效高于90%。在1-3 W手电筒升压LED应用可采用NCP1421升压DC-DC转换器,同等功率范围的手电筒降压LED应用可以采用NCP1529低压降压转换器,应用电路图如图3所示。

    图3:基于NCP1421的升压型和基于NCP1529的降压型1-3 W手电筒LED应用
    2.3  3 W-20 W DC-DC LED升压应用
    典型3 W-20 W DC-DC LED升压应用常见于DC-DC LED驱动器。这类应用的输入电压为5至28 Vdc,支持350 mA或700 mA恒流输出,能效不低于90%。这类应用可以采用NCP3065/NCP3066 LED驱动器。NCP3065/NCP3066能够配置为降压、升压、单端初级电感转换器(SEPIC)和逆变器等不同模式,并提供相应的汽车应用版本,即NCV3065/NCV3066。图4显示的是NCP3066的升压配置LED应用电路图。

    图4:采用升压配置的NCP3066用于3-20W DC-DC LED升压应用

    2.4  1 W-30 W DC-DC LED降压应用
    典型1 W-30W DC-DC LED降压应用包括MR16射灯、街道照明中的次级端DC-DC LED驱动器。这类应用中,输入电压范围为7 至120 Vdc,输出电压范围为6至110 Vdc,支持350 mA、700 mA或1 A恒流输出,能效不低于90%。这类应用可以采用NCL30100降压LED驱动器,这器件外置开关MOSFET,提供灵活的输入电压和输出电流设计,能效高于95%,其应用电路图参见图5。

    图5:基于NCL30010的1-30 W DC-DC LED降压应用
    3 改善低功率LED住宅照明应用能效的方案

    以住宅照明的台灯和橱柜灯等应用为例,功率一般在3 W到8 W之间。这样的低功率应用最适合采用隔离型反激拓扑结构。但传统离线反激电源转换器在开关稳压器前面采用全波整流桥及大电容,这种配置的功率利用率或输入线路波形的PF较低,仅在0.5至0.6的范围。这就要引入PFC。如可在反激转换器前采用NCP1607B这样的有源PFC,能提供高于0.98的PF,但增加了元件数量及复杂性,且最适合的功率远高于本应用要求。无源PFC方案众多,可改善PF,但通常都使用较多额外元件,增加成本及电路板占用空间,并降低可靠性。

    图6:改善了功率因数的NCP1014应用电路图
    实际上,高功率因数通常需要正弦线路电流,且要求线路电流及电流之间的相位差极小。修改传统设计的第一步就是在开关段前获得极低电容,从而支持更贴近正弦波形的输入电流。这使整流电压跟随线路电压,产生更合意的正弦输入电流,反激转换器的输入电压就以线路频率的2倍跟随整流正弦电压波形。如果输入电流保持在相同波形,功率因数就高。NCP1014自供电单片开关稳压器采用固定频率工作,电流不能上升到高于某个特定点;这个点由输入电压及开关周期或导电时间结束前的初级电感来确定。由于导电时间的限制,输入电流将跟随输入电压的波形,从而提供更高的功率因数。

    图7:基于NCP1014的演示板在20℃环境温度及8.0 W输出功率下提供更高功率因数

    4 应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案

    要针对低功率LED照明应用提供高于0.9的功率因数及低总谐波失真,以适合商业应用要求,就有必要使用新的拓扑结构。在这种情况下,可以使用基于NCL30000临界导电模式(CrM)反激控制器的单段式CrM反激拓扑结构。单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段,帮助减少元器件数量,降低系统总成本,并提供高功率因数。图8显示的是基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。

    图8:基于NCL30000的单段式CrM反激LED驱动器GreenPoint®s21参考设计简化框图
    在针对商业照明的应用中使用的是宽动态范围的精确导通时间控制器方案NCL30000。设计中采用控制器(外置FET等旁路元件)方案的原因包括易于在能效和成本之间实现折衷、能以单颗控制器支持宽功率范围(5到30 W)、及便于优化散热及灵活布线等。基于NCL30000构建的90到305 Vac EFD25演示板(Vout = 12 LED, 37 Vdc)测试显示,功率因数远高于0.9,部分输入电压条件下功率因数甚至高于0.95(见图9),能效也极高。

    图9:基于NCL30000的演示板PF及THD测试结果
    总结

    本文以安森美半导体的几种LED驱动器为例,介绍低功率LED通用照明驱动器的选择要点、应用方案及功率因数的改善方案,目的是帮助工程师选择LED驱动器及设计高能效低功率LED通用照明。还有很多其他的公司也提供高能效的LED驱动器及解决方案,工程师可以根据自己的实际情况进行合理的选择。


    本文来自电子快线://e-brt/Support/docs_info.aspx?id=433

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