电源转换中反激转换器和降压拓扑结构的设计案例

品慧电子讯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。
　　
1)采用交流离线电源为LED供电
　　　　
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1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1：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2：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3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3：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4：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5是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。

图5：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。

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。