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离线高功率因数TRIAC调光LED驱动器设计

作者:时间:2011-05-27来源:网络收藏
据国际能源署(IEA)估计,全球消耗的电能 中有19%是用于照明。因此,近年来,世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替代低能效的白炽灯光源。而随着发光二极管( )在流明 输出及光效 方面持续快速进步,同时,平均每流明光输出的成本也在下降,再结合在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势,照明 (也称固态照明 ,或SSL)成为一种极为引人注目的替代解决方案。

 针对固态照明的能效规范要求

  为了促进节能,世界各地的政府机构或规范组织制定了不同LED照明规范,主要体现在对功率 因数(PF)的要求方面。如欧盟的国际电工联盟(IEC)规定了功率大于25 W照明应用的总谐波失真性能,某些地区的其它国际标准也适用这规定。

  另外,美国能源部制定及发布了针对固态照明灯具的“能源之星”标准。这项自愿性标准包含针对常见住宅和商业照明灯具(如嵌灯、橱柜灯和台灯)的系列要求,涵盖最低流明输出、总体光效、可靠性目标、光色温 及一系列其它关键系统级要求。值得注意的是,这个标准中并不直接包含电源 能效要求,但包含功率因数要求,即不论是何种功率等级,住宅应用要求的PF大于0.7,商业应用要求的PF大于0.9,而集成LED灯 光的要求是PF大于0.7。

  当然,并非所有国家都绝对强制要求在照明应用中改善功率因数,但某些应用可能有这方面的要求。例如,公用事业机构可能大力推动拥有的产品在公用设施中的商业应用。此外,公用事业机构拥有/维护街灯时,他们可以根据自己的意愿,来决定是否要求产品拥有(通常大于0.95+)。

  13 W LED嵌灯 设计示例

  1、参照代用标准确立最大负载设计目标

  以“能源之星”的固态照明灯具标准为例,这标准包含决定灯具光效的总体性要求;实际上,这标准是一个系统级标准,涉及所选LED、现场工作温度、光学 组件、驱动 器电源转换能效等。灯具开发人员因而可以在LED的选择、光学组件的使用、热管理方案、驱动器拓扑结构及设计方面折衷取舍,从而符合整体要求。下表列举了“能源之星”1.1版住宅及商业应用固态照明规范1.1版对嵌灯的关键系统要求。

离线高功率因数TRIAC调光LED驱动器设计

  表1:“能源之星”1.1版住宅及商业固态照明规范之嵌灯关键要求。

  最常见的嵌灯是较大孔径类嵌灯。对于住宅及商业应用而言,除了功率因数方面的差别,设计人员能够灵活地使用中性及暖白光LED 。从表1中的最低要求可以看出,要获得575流明的最低输出,最大输入功率阈值约为16.4 W。

  由于没有直接适用的LED驱动 器能效标准,可考虑将“能源之星”2.0版外部电源(EPS)标准作为代用标准。根据EPS 2.0标准,额定功率在1到49 W之间的标准电源的最低能效要求为0.0626×ln(Pno)+0.622。因此,符合这标准的12 W额定功率电源的最低能效为77.7%,15 W电源则为79.1%。由于LED灯具 标准基于输入插座能效,有必要将驱动器能效目标转换为有效的LED负载。为了增加一些设计裕量,我们将最低目标能效定为80%。这样一来,LED负载就为16.4 W×80%,即13.1 W。

  这样,我们就确定了最大负载设计目标。LED光效受制于LED制造商以及驱动电流和工作温度。安森美 半导体 这GreenPoint?参考设计选择的是350 mA的恒定电流,支持市场上大多数高亮度 功率LED。另一个要顾及的因素是灯具开发人员可以选择宽范围的LED,所选LED的光效越高,要求采用的LED数量就越少。因此,这GreenPoint?参考设计在50%至100%额定负载时的能效应当较高。随着LED光效的提升,可以轻易修改同一个基本电源设计 来驱动更少的LED,从而提供远高于最低要求的灯具光效。

  2、其它设计要求

  确定了基本设计要求,就需要考虑与终端应用需求有关的其它系统因素。例如,虽然标准中并无要求,但兼容已有线路方案很重要。因此,应当针对三端双向可控硅开关 器件( )壁式器来优化设计。的挑战不少,但有一项因素设计人员可能容易忽略,就是驱动器应当能够能在低斩波(chopped)交流输入波形条件下启动及工作。而且,驱动电源的尺寸应当匹配嵌灯灯具接线盒。还应该注意一项人的因素要求。虽然LED实际上在瞬间之间就发光,但驱动器的设计要留出特定的启动时间。不管是什么LED灯具,这方面的表现都应该不比CFL差,甚至应该更好。所以,我们可以把CFL作为参照基准。“能源之星”CFL灯泡要求中,额定条件下最大启动时间为1秒,因此,我们将就LED驱动器在启动时间方面的设计目标定在0.5秒。由于这个设计面向住宅或商业应用,因此我们定下的规格目标更具挑战性。表2总结了本GreenPoint®参考设计关键的设计目标。

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  表2:关键设计目标。

  3、设计途径:采用单段式方案提供

  要实现高功率因数、电源能效目标及紧凑的尺寸,有必要使用高功率因数的单段式拓扑结构。由于功率目标较低,传统的两段式拓扑结构(PFC升压+反激转换)就无法满足要求了。因此,我们使用了基于安森美半导体NCL30000临界导电模式(CrM)反激控制器 的CrM反激拓扑结构。

  单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段,帮助减少元器件数量,降低系统总成本。但采用单段式拓扑结构,系统也会受到一些影响,如无初级高压能量存储,输出电压保持时间较短。另外,输出纹波 较高,必须采用更多的低压输出电容来满足维持要求,及对动态负载反应较慢等。有利的是,这对众多LED照明应用而言不构成问题,因为LED照明应用无系统维持时间要求,而且纹波汇入平均光输出,人眼不会察觉。

  设计针对高功率因数(PF>0.95)有利于轻松符合SSL灯具的商用照明要求,并使输入电流波形看上去象是电阻型载的波形。这对兼容调光非常重要,因为TRIAC调光器原本用于白炽灯,而白炽灯在电路中的作用就象是电阻,即充当电阻型负载。用示波器截取的波形显示 ,优化设计的单段式CrM反激电源的基本电流波形与输入电压波形保持同相。

  图1显示的是安森美半导体基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。从图1中可以看出,隔离反激的次级端有恒流恒压(CCCV)控制模块。这模块有两个主要功能,一是紧密稳流350 mA的恒定电流,并为初级端提供反馈,用于调节导通时间,对流经LED的恒定电流进行稳流;二是在发生开路事件时,进入恒压控制模式,在故障事件下产生稳压固定电压。开路电压稳压为UL1310 2类电源的60 Vdc最大电压限制。此外,无意中碰到输出短路时,还能限制功率,避免损坏LED。

离线高功率因数TRIAC调光LED驱动器设计

  图1:基于NCL30000的单段式CrM反激LED驱动器GreenPoint®参考设计简化框图。

  4、测试 结果

  测试结果显示,这参考设计的性能超过了表2中所列的全部设计目标,参见图2(详见参考资料[1])。图2显示了90到135 Vac线路电压范围下LED驱动器的功率因数和输入电流总谐波失真,可以看出这参考设计的功率因数很高(超过商业照明0.9的最低功率因数要求),总谐波失真低(20%)。图3显示了不同负载条件下的LED能效。将25%、50%、75%和100%四个工作点下的能效作平均计算,可得出总平均能效为80.7%;而在50%至100%负载的关键工作区域,能效范围为81.1%至82%。这不仅超越本参考设计定下的80%能效目标,还超过了EPS 2.0标准对15 W电源79.1%的能效要求。损耗来源中包含输入EMI 段支持TRIAC调光所需的15欧姆限流电阻的能耗。

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  图2:90至135 Vac输入线路电压条件下的功率因数和总谐波失真。

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