基于交流或直流电源的LED驱动电路设计

在不同的led照明应用场合,你需要利用不同的电源(如离线交流电源、太阳能电池、铅酸电池、直流电流)来为大功率led供电。采用直流电源时该采用降压还是升压拓扑结构?采用交流电源时又该采用什么架构?如何针对不同的输出功率选择ac-dc或dc-dc转换器?不同架构下驱动电路实现时又该注意什么问题?安森美技术专家将在本文中一一为你做详细说明。
根据具体应用的不同,led可能会采用不同的电源来供电,如交流线路、太阳能板、12 v汽车电池、直流电源或低压交流系统,甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。
1)采用交流离线电源为led供电
在采用交流离线电源为led供电的应用中,涉及到众多不同的应用场合,如电子镇流器、荧光灯替代、交通信号灯、led灯泡、街道和停车照明、建筑物照明、障碍灯和标志等。在这些从交流主电源驱动大功率led的应用中,有两种常见的电源转换技术,即在需要电流隔离(galvanic isolation)时使用反激转换器,或在不需要隔离时使用较为简单的降压拓扑结构。
在反激转换器方面,根据输出功率的不同,可以采用安森美半导体的不同反激转换器。例如,安森美半导体的ncp1013适合于功率高达5 w(电流为350 ma、700 ma或1 a)的紧凑型设计应用,ncp1014/1028可以提供高达8 w的连续输出功率,而ncp1351则适合于大于15 w的较大功率通用应用。
以ncp1014/1028为例,这是安森美半导体推出的离线式pwm开关稳压器,具有集成的700 v高压mosfet,均采用350 ma/22 vdc变压器设计及700 ma/17 vdc配置,输入电压范围为90至265 vac,具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(emi)信号以及内置热关闭保护等特性,适合于led镇流器、建筑物照明、显示器背光、标志和通道照明及作业灯等应用。ncp1014/1028的应用设计示意图如下面的图3所示。值得一提的是,这设计具有开路输出保护功能,会在开路时将输出钳位至24 v电压。在这设计中,电流和开路电压能够通过简单地改变电阻/齐纳二极管组合来调整。值得一提的是,如果针对230 vac交流线路使用另一种可选变压器,则ncp1014能够提供高达19 w的功率,ncp1028能够提供高达25 w的功率。
图3:安森美半导体离线式第二代led驱动器ncp1014/1028的应用示意图。
在照明应用中,如果输出功率要求高于25 w,led驱动器则面临着功率因数校正(pfc)的问题。例如,欧盟的国际电工委员会(iec)针对照明(功率大于25 w)的要求中具有针对总谐波失真(thd)的规定。而在美国,能源部“能源之星”项目固态照明标准中对pfc带有强制性要求(而无论是何种功率等级),即针对住宅应用部分要求功率因数高于0.7,而针对商业应用部分要求功率因数高于0.9。这标准属于自愿遵守的标准,并非强制性要求,但有些应用可能需要良好的功率因数。例如,公营事业机构将推动led的大规模应用,应用在公用设施级别的led可望拥有较高功率因数;而且公营事业机构拥有或提供led街灯服务时,led是否具有较高功率因数(通常大于0.95)取决于公营事业机构的意愿,如果他们愿意,则相应的led驱动解决方案必须满足这方面的要求。
图4:需要pfc的led驱动应用中不同架构对比。
在这类可能需要采用pfc控制器的应用中,传统的解决方案是pfc控制器+pwm控制器的两段式方案。这种方案支持模块化,且认证简单,但在总体能效方面会有折衷,如假设交流-直流(ac-dc)段的能效为87%至90%,直流-直流(dc-dc)段能效为85%至90%,则总能效仅为74%至81%。随着led技术的持续改进,这种架构预计将转化为更加优化、更高能效的方案。根据要求的不同,有多种可供选择的方案,如:pfc+非隔离降压、pfc+非隔离反激或半桥llc、ncp1651/ncp1652单段式pfc方案。
另一方面,如上所述,在不需要隔离的应用中,可以采用较为简单的降压拓扑结构,这种结构所使用的电感比变压器小得多,而且只需要很少的元件来实现这种解决方案。这种架构采用的是峰值电流控制(pcc)模式,工作在深度连续导电模式(ccm)。这种架构具有多种优势,如可以消除使用大电解输出电容、具有“良好”稳流的简单控制原理,以及能够充分利用安森美半导体的动态自供电(dss)技术能力来直接从交流线路为驱动器供电。图5显示的是安森美半导体ncp1216 pwm电流模式控制器的应用设计示意图。
图5:采用峰值电流控制的ncp1216非隔离型离线式led驱动应用。
它充分利用高压工艺技术的优势,从交流主电源直接为控制器供电,进一步简化了电路。这设计适合120 vac条件,若要用于230 vac条件,则需要变更少许元件,如功率fet和电容。由于这是一种非隔离型ac-dc设计,所以存在高压。而且这是一项浮动设计,ic和led并非对地参考。在对器件进行供电之前,led必须连接至电路板。
对于这类降压控制方式而言,当控制的led数量减少时,它的一项局限就会出现,因为这时占空比会变得极窄。而且开关控制器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路。在这种情况下,必须降低开关频率来适应正常操作,并通过半波整流输入电路将电压保持在最低值。在这种方法中,基本架构能够通过元件修改来轻易扩展,从而也能驱动更长的led串。
2)采用宽输入范围的直流-直流(dc-dc)电源为led供电
有一系列高亮度led应用工作在8至40 vdc范围的电源,这些电源包括铅酸电池、12-36 vdc适配器、太阳能电池以及低压的12 和24 vac交流系统。这类的照明应用众多,如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明,以及陈列柜照明等。
表1:宽输入范围的dc-dc led应用。
即使目标是采用恒定电流驱动led,首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化。led的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定。凭借这些信息,就可以选择恰当的线性或开关电源拓扑结构,如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美
半导体的ncp3065/3066是一种多模式led控制器,它集成1.5 a开关,可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(sepic)等多种拓扑结构。ncp3065/3066的输入电压范围为3.0至40 v,具有235 mv的低反馈电压,工作频率可调节,最高250 khz。其它特性包括:能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字pwm调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。
图6:安森美半导体ncp3065在led恒流降压控制应用中的示意图。
为led提供保护
如前所述,led是一种使用寿命极长的光源(可长达5万小时)。除了需要针对具体的led应用选择适合的led驱动解决方案,还需要为led提供适当的保护,因为偶尔led也会失效。其原因多种多样,可能是因为led早期失效,也可能是因为局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效。必须对这些可能的失效提供预防措施,特别是因为某些应用属于关键应用(故障停机成本高),或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等),或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等。
在这方面,可以采用安森美半导体的nud4700 led分流保护解决方案。图7是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。
图7:安森美半导体nud4700 led开路分流保护器的应用示意图。
在led正常工作时,泄漏电流仅为近100 μa;而在遭遇瞬态或浪涌条件时,led就会开路,这时nud4700分流保护器所在的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0 v,将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装,设计用于1 w led(额定电流为350 ma@ 3 v),如果散热处理恰当,也支持大于1 a电流的操作。
总结
相较于白炽灯等传统光源,led具有能效高、寿命长、指向性好等众多优势,越来越受业界青睐用于通用照明市场。而led在通用照明市场的应用涉及多方面的要求,需要从系统的角度去考虑,如光源、电源转换、led控制和驱动、散热和光学等。

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