离线高功率因数TRIAC调光LED照明驱动器设计

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(LED)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LED在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势，LED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。 　　1、设计途径：采用单段式方案提供高功率因数 　　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TRIAC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。 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。 　　2、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。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15W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。 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。 图3：输入电压为115 Vac时不同负载条件下的能效。 　　总结： 　　要设计满足下一代固态照明产品所有要求的离线LED驱动器存在不少挑战。本参考设计文档显示，安森美半导体基于NCL30000的单段式CrM TRIAC调光LED驱动器GreenPoint？参考设计达到了所有关键性能指标，如“能源之星”1.1版商业及住宅应用固态照明功率因数要求，甚至是代为参考的2.0版外部电源在关键负载条件下的能效要求。这参考设计还为系统开发人员提供灵活性，使他们能够升高或降低功率，满足不同功率应用的要求。这种途径让设计人员能够灵活应对LED光效提升，便于他们设计LED数量更少但仍提供预期光输出的灯具。