通用照明市场中的高亮度LED驱动挑战

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



表1：宽输入范围的DC-DC LED应用

　　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。
　　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。本文以LED驱动为重点，分析了通用照明市场中LED驱动面临的挑战，并结合安森美半导体的高性能LED驱动解决方案，探讨了不同的LED驱动应用示例，如通过交流隔离电源为LED供电和通过宽输入范围DC-DC电源为LED供电等;最后，还介绍了能够用于需要高可靠性和持续性的LED应用中的安森美半导体LED分流保护解决方案。