源端稳流、分步和TRIAC调光A型LED灯驱动设计方案

近年来，世界上多个国家制定政策以分阶段淘汰白炽灯泡。如中国计划于2015年60W 以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。荧光灯及紧凑型荧光灯(CFL)的能效比白炽灯高，但含剧毒物质汞，存在环保顾虑。相比较而言，具备环保优势、近年来成本稳步下降的高亮度白光LED技术已经快速改进，如今在光输出方面已可与CFL等正面交锋，并且还大幅提升能效及延长使用寿命，适合于白炽灯泡替代等LED通用照明应用。

LED灯泡的驱动挑战及常见驱动方法

大多数LED是低压器件，最适合采用恒定电流驱动。要在通用照明应用中最大限度发挥LED节能优势，就要采用适合的LED驱动电路。

以LED灯泡为例，典型的LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件。就驱动电路而言，高能效LED驱动器IC无疑是其中的重点。因为LED灯泡的形状固定，散热受限，采用高能效LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。此外，由于LED灯泡空间有限，故须减小驱动电子电路的尺寸以使剩余空间增多，同时增大散热片面积；较大功率的灯泡尤为如此。不仅如此，LED正在发生迅速变化，提供多种选择，这对LED驱动器的选择也构成了挑战。出于安规、LED选择等因素，设计人员还须考虑是采用隔离还是非隔离拓扑结构，由此也影响到LED驱动器的选择。   
                                      

一种常见的LED驱动器拓扑结构是隔离型反激(见图2)。这种拓扑结构除了提供电气安全隔离以外，还能对LED串要求的电流进行稳流。安全低压次级端的电路感测LED电流及电压，并在安全界限内提供反馈信号，以控制电源转换过程。次级端元件包括偏置电路、双运算放大器、精密参考、用于反馈的光耦，以及用于监测LED电流及感测过压保护故障的电流及电压感测电阻等。


这种经典方案的优势与缺点并存。例如，它可以轻易地实现高精度的稳流，且能够在宽工作范围及制造差异条件下可靠地工作。但这种方案的次级端控制电路消耗电能，由于此电能未转化为光，故降低了能效。此外，次级端的元器件在印制电路板上占用空间并增加成本。最后，如果次级端任何元件有故障，仍须把驱动器设计成就算有故障也保安全。

克服经典方案缺点的新颖的初级端稳流技术

有利的是，设计人员可以选择一种新的控制架构，将所要求的LED稳流功能从次级端移到初级端，即采用初级端稳流(PSR)技术(亦称“初级端控制”)，见图3。初级端稳流方案无须光耦，以及次级端恒流恒压(CCCV)控制环路元件，如运算放大器、TL431或齐纳参考、偏置稳压器、电流感测电阻及用于过压保护的电压感测等，同时在初级端维持高稳流精度。这就提供减少元件数量、简化PCB布线、节省电路板空间、简化LED选择、提升能效及轻易符合安规等诸多优势。据统计，设计人员通过消除次级端控制，能够省去占用宝贵电路板空间的16至18颗甚或更多元件，这对A19 LED灯泡等应用尤为重要。


安森美应用初级端稳流技术的LED驱动器优势

安森美半导体的NCL3008x系列准谐振初级端电流模式控制器使用初级端稳流技术，为反激及非隔离降压-升压拓扑结构提供高精度的恒定电流，非常适合于LED照明应用。NCL3008x系列目前包括NCL30080、NCL30081、NCL30082和NCL30083。这些器件提供TSOP-6及Micro-8封装，还可根据客户需求提供SOIC-8封装。NCL3008x系列提供0.8至0.9甚至更高的功率因数，符合美国“能源之星”对输入功率大于5 W之灯泡功率因数高于0.7的要求。这些器件的引脚数量及功能不尽相同，分别针对不同的细分应用，详见表1。

 
NCL3008x系列的关键优势包括：

1)    一流的初级端稳流精度。由于初级端稳流精度高，能够补偿线路输入电压变化，不受常规变压器制造差异影响，可简化LED的选择(无须使用过高规格/过高成本的元件来满足流明输出要求)，能支持2:1输出正向电压变化(无须对LED进行编码，可将一个驱动器设计用于多种产品，且在LED性能提升后还能使用相同的驱动器)；

2)    采用准谐振模式工作以提供高能效，仅产生少量电磁干扰(EMI)；

3)    提供强固的保护特性，如过压保护/LED开路保护、次级端二极管短路保护、过热关闭、输入欠压保护、软启动、短路保护、短路电流感测、提供闩锁及自动恢复版本等。

4)    灵活的产品系列。提供不同功能组合，配合用户不同应用需求。


这些器件中，NCL30080是简单及低BOM成本版本，NCL30081则增加了5步准对数调光功能。NCL30082具备热反走/过压保护及模拟/数字调光功能，还增加了5步准对数调光及软启动功能。




基于NCL3008x系列的A型LED灯驱动参考设计示例

安森美半导体开发了基于NCL3008x系列的多种LED A型灯参考设计。测试显示，这些设计提供高稳流精度、高功率因数及高能效。

1)    基于NCL30082B1的初级端反馈、高功率因数、TRIAC可调光A型灯LED驱动器设计


2)    基于NCL30080的初级端反馈、反激拓扑结构A型灯LED驱动器设计
3)    基于NCL30082/3的初级端反馈、分步调光、反激A型灯LED驱动器设计
 

总结：

安森美半导体针对交流供电LED照明应用开发了专有的初级端恒流控制技术，并应用在NCL3008x系列目前已有的4款高能效谐振模式初级端控制器上。这系列产品提供多种应用优势，能够帮助设计减少元件数量、节省电路板空间、提升能效、简化LED选择及提供高能效，且提供优化的功能组合，以应对客户不同应用需求。