LED路灯的高能效驱动电源方案的探究

随着市场对LED照明越来越重视，国家开始加大对LED照明的扶持，将LED产品价格进行调整。LED路灯广泛应用于生活中，以其节能环保、高效、易控制的特点逐渐取代传统照明设备。与室内LED照明灯的不同之处在于LED路灯的功率较大。由此，如何在环境复杂的室外使LED路灯更加高效，节能成为设计中的一大难题。

积极推动高能效创新的安森美半导体充分利用在电源领域的丰富经验，为LED路灯驱动设计提供满足各类规范要求的高能效方案，包括PFC段及主功率级的器件。待机电路选型为有效提高电源效率，需尽量降低产品待机功耗。应用安森美半导体NCP1070高压开关稳压器，只需简单的外围降压线路就可有效降低待机能耗。该器件内置700V MOSFET，支持动态自供电(DSS)，提供无损耗的启动序列，同时还具有短路保护、1ms软启动、频率抖动、Vcc引脚过压保护等功能，线路简单且有成本优势。功率因数校正(PFC)预升压转换段方案目前世界主要国家和机构都对LED驱动器在功率因数或总谐波失真上提出了相应的规范，比如国际电工委员会提出的IEC 61000-3-2、欧盟的EN61000-3-2、日本的JIC-C-61000-3-2、中国的GB 17625.1等标准。美国“能源之星”对功率大于5 W等级的固态照明灯具都有功率因数的要求，家用驱动器功率因数需大于0.7，商用驱动器功率因数需大于0.9，而在路灯的应用中，对功率因数的要求通常会大于0.95。为了满足大功率LED路灯电源设计在功率因数以及谐波含量限制方面的要求，安森美半导体提供三种工作模式的PFC方案选择：连续导电模式(CCM)，如NCP1654;临界导电模式(CrM)，如NCP1608;频率钳位临界导电模式(FCCrM)，如NCP1605。

图1：安森美半导体提供三种模式的功率因数校正(PFC)方案其中，NCP1654的主要特性包括：采用平均电流控制模式;快速瞬态响应;采用SO-8封装，只需极少的外部元器件;低起动电流(<75 uA);±1.5 A推拉输出电路门驱动;具备突波电流检测、过压保护、欠压保护、开环保护，以及精确的过流、过功率限制功能，为电路提供强固的保护功能。主功率段选型：半桥LLC提供高性价比、高能效及易处理EMI的选择主功率段电源设计往往有多种拓扑可以选择，常见的诸如反激、正激、有源箝位正激、半桥LLC(双电感和单电容)等。随着功率及功率密度的提升，半桥LLC拓扑为LED路灯主功率段驱动电源设计提供了高性价比、高能效、容易处理电磁干扰(EMI)的方案。相比于其他拓扑结构，LLC支持在相对较宽的输入电压和输出负载范围下工作;元器件数量有限：谐振储能元件能部分或全部集成在主变压器中;初级开关管在所有负载条件下零电压开关(ZVS);次级整流器在所有负载条件下零电流开关(ZCS);具有应用简单的同步整流功能。

图2：随着功率及功率密度的提升，半桥LLC拓扑成为LED路灯驱动理想选择安森美半导体的NCP1397为采用LLC拓扑结构的主电源段提供了高性价比及可靠方案，为客户在尺寸限制、待机要求及成本等设计考量上提供了理想选择，主要特性包括：50 kHz至500 kHz的高频工作;600 V高压浮动驱动器;可调节最小开关频率(3%精度);100 ns至2 us的可调节死区时间;藉外部可调节软启动提供的启动序列;输入欠压保护结合闩锁输入;基于定时器的自动恢复及立即闩锁过流保护;可藉导通/关闭控制来关闭输入(跳周期模式);300 uA低待机电流;1A/0.5 A峰值电流汲/源极驱动能力;共用集极或射极光耦合器连接。

恒压恒流控制方案

精准的恒压恒流控制能够保证LED颗粒之间发光均一，从而更好地保证LED路灯寿命。安森美半导体提供的NCP4328内含两个OTA，能实现二次侧精准的恒压恒流控制。

安森美半导体150 W高能效、无频闪LED路灯驱动电源方案参考设计

安森美半导体提供150 W功率的LED路灯驱动电源方案参考设计。这参考设计采用了NCP1654(PFC)+NCP1397(LLC)+ NCP4328(恒压恒流控制)+ NCP1070(待机控制)的器件组合，接受90至265 Vac宽电压输入，提供40 V/3.45 A输出，能满足功率因数大于0.95，总谐波含量小于15%的要求，满载平均效率大于90%，典型电流精度达到了1%以内。这参考设计支持快速启动，典型启动时间小于500 ms，还提供低输出电流纹波，无频闪。

图3：安森美半导体150 W路灯参考设计的能效及稳流精度

图4：安森美半导体150 W路灯参考设计的功率因数及THD符合设计目标