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采用交流-直流(AC-DC)電源供電的LED通用照明應用中，常見隔離拓撲結構與非隔離拓撲結構。所謂“隔離”，是指輸入與輸出之間采用變壓器等進行電氣隔離。這兩種拓撲結構各有其特點。相比較而言，非隔離拓撲結構的優勢包括磁性元件尺寸更小、能效更高、元件數量更少、總物料單成本更低，以及能以機械設計滿足安規等。安森美半導體提供多種非隔離高功率因數LED驅動方案，不僅可提供更高的能效，而且設計緊湊，適合不同的中低功率LED通用照明應用，如線性熒光燈替代和大功率嵌燈及聚光燈等。 常見降壓非隔離應用應用LED驅動器方案 在MR16燈泡、12 V景觀照明、太陽能供電LED照明及廣告牌文字電路和標志背光等應用中，可以采用靈活的降壓驅動器NCL30160。這器件是針對單電壓輸入的高能效、峰值電流控制降壓控制器，為MR16 LED燈泡等空間受限且講究高能效的應用提供極佳方案。但嚴格地說，NCL30160是一款DC-DC非降壓隔離驅動器方案。 在G13、GU10、PAR16、PAR20及嵌燈等1至8 W低功率LED照明應用方面，可以采用安森美半導體的NCP1015自供電單片開關控制IC。這器件集成了700V高壓MOSFET，采用PDIP-7或SOT-223封裝，提供構建強固、低成本的AC-DC LED電源轉換方案所需的全部特性。這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案，用于滿足不同應用要求。其中，基于NCP1015的非隔離方案采用抽頭電感來隔離交流信號，提高MOSFET工作的占空比，提高系統能效及電路性能可以通過減小電容或是谷底填充電路來實現功率因數大于0.7的要求。 在照明應用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅動器則面臨著功率因數校正(PFC)的問題。如美國“能源之星”項目固態照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級)，即針對住宅應用部分要求功率因數高于0.7，而針對商業應用部分要求功率因數高于0.9。在這類應用中，可以采用安森美半導體的NCP1607臨界導電模式(CrM)方案這器件既可用于隔離型方案，也可用于非隔離方案， 支持調光的高功率因數非隔離LED器方案 一些AC-DC非隔離LED照明應用既要求高功率因數，又要求支持調光，如模擬、數字(PWM)或三端雙向可控硅開關器件(TRIAC)調光等。在這些應用中，客戶可以采用安森美半導體的NCL30000功率因數校正TRIAC可調光LED驅動器，或是LV5026/29系列高功率因數可調光LED驅動器。 一、NCL30000/2非隔離可調光高功率因數LED驅動器拓撲結構及應用 NCL30000是用于住宅及商業照明等LED照明應用的功率因數校正可調光LED驅動器。NCL30000/2采用緊湊型的８引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供大于0.95的高功率因數，因而省卻直流-直流(DC-DC)轉換段。典型應用包括LED驅動器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關組件(TRIAC)可調光LED燈及功率因數校正恒壓電源。這器件與前沿TRIAC調光器和尾沿晶體管調光器兼容。視乎所使用的調光器，LED輸出可調低至2%。 NCL30000采用恒定導通時間CrM工作，非常適合于隔離型反激應用，但也可以配置為非隔離型高功率因數拓撲結構。而在非隔離型拓撲結構下，NCL30002在-40至125℃工作溫度條件下有較高電流精度(<±3.1%)，包含降壓及降壓-升壓拓撲結構等不同選擇，下文將進行比較。 1) NCL30000非隔離降壓及降壓-升壓拓撲結構對比 從拓撲結構來講，降壓拓撲結構的不足是輸入電流波形取決于輸出電壓。在這種配置下，由于電感與LED串采用串聯配置，僅在輸入電壓超過LED正向壓降(VF)時有電流流過；CrM及恒定導通時間工作可提供高功率因數；直接感測LED電流；低環路帶寬支持高功率因數工作；MOSFET電流等于LED峰值電流；MOSFET電壓應力等于峰值主電源電壓；功率因數(PF)及總諧波失真(THD%)性能取決于輸出壓降與輸入電壓之比(VF/Vin)，比例越高，PF越低；比例越高，THD越高。 
圖1：降壓及降壓-升壓配置比較 相比較而言，降壓-升壓拓撲結構的輸入電流波形跟負載無關，具有高功率因數、良好的總諧波失真性能。降壓-升壓配置下，電感與LED串并未串聯，輸入電流波形或失真與輸出壓降(VF)無關；固有的LED故障保護功能可在MOSFET短路時提供保護；LED正向壓降可以高于或低于輸入電壓；MOSFET開關電壓應力為輸入電壓與輸出壓降之和(Vin+Vout)。 2) 基于NCL30000的非隔離降壓-升壓LED驅動器方案 本文將重點探討降壓-升壓拓撲結構的NCL30000非隔離型LED驅動器方案。
圖2：NCL30000非隔離降壓-升壓拓撲結構電路圖 如圖2所示，在NCL30000非隔離降壓-升壓拓撲結構應用中，LED平均電流被穩流，可穩定線路電壓變化和負載變化；可實現LED開路及短路保護；如果FET短路，LED仍然安全。 NCL30000降壓-升壓拓撲結構的工作原理包括： •直接感測LED電流，提供真正的平均模式反饋。可以在寬LED電壓范圍內維持緊密的穩流；感測電阻(R9)的阻值很小，可提升能效至最高；匹配的晶體管對(Q1)產生與LED電流成正比的電流。 •分級電平轉換晶體管(Q2)將正比例電流耦合至低邊控制器；省去了光耦；第二個分級晶體管(Q5)用于“高輸入+輸出”電壓的方案。 •端接電阻(R14)將正比例電流轉換為電壓；將電壓用作提供給控制器的反饋信號；在LED平均電流處關閉反饋環路。 •低環路帶寬提供高功率因數。 3) 基于NCL30000的T8燈管LED驅動器演示板 安森美半導體為采用NCL30000的T8燈管LED驅動器提供了高PF演示板，用來替代常見的線性熒光燈管。25 W設計示例在350 mA電流時的電壓為72 V，主電源電壓范圍的能效高于88%，典型功率因數高于0.96，尺寸為18 mm x 200 mm (總高度19 mm)。
圖3：基于NCL30000的非隔離降壓-升壓T8燈管驅動器演示板 該演示板具有諸多特性：控制器以交流整流回路電壓為參考，可降低系統噪聲；LED以交流整流電壓為參考，可減少產生的EMI；直接感測LED電流實現真正的平均模式控制；在寬LED電壓范圍內維持緊密穩壓；恒定導通時間提供高功率因數及低總諧波失真；使用偏置繞組提供負載開路保護；熱反走，帶自動恢復；監控LED電流，提供短路保護；感測FET電流，用于故障保護。 25 W T8燈管LED驅動器設計示例的設計要求包括：輸入電壓范圍為90至305 Vac；為LED提供350 mA恒定電流；LED串最大電壓為71.4 V；LED串最小電壓為55 V；最小交流主電壓的峰值時開關頻率為70 kHz；能效約為90%。
圖4：NCL30000降壓-升壓非隔離LED驅動器演示板性能測試結果 4) 基于NCL30000的TRIAC可調光高功率因數GU10 LED驅動器方案 對上述方案進行一些必要的修改，還可配合TRIAC調光。修改措施包括：在偏置練級上增加更多匝數、增加偏置穩壓器用于寬范圍調光、可選加速調光電路以優化調光響應、優化EMI濾波器以適應TRIAC導通時的大階躍電壓等。 修改后方案的電源規范摘要包括：輸入電壓100至130 Vac；3個LED的輸出為470 mA；額定輸出功率約4.7 W；非隔離設計TRIAC調光；功率因數校正> 0.85；100至130 Vac的能效>82％。 二、LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅動器方案 除了NCL30000，客戶也可以采用安森美半導體成員公司三洋半導體的LV5026MD/29MC系列非隔離降壓LED驅動器，并根據實際調光要求，選擇適合的產品。例如，若需要同時支持TRIAC調光、PWM調光及模擬調光，則應選擇LV5026M；若只需要支持PWM及模擬調光，則可選擇LV5029MC。 以非隔離可調光高功率因數LED驅動器LV5026MD為例，它可驅動大功率場效應管電路，采用步進控制方式，具有頻率振蕩、基準電壓外部調整、兼容數字調光和模擬調光、內置軟啟動、過電流保護、過熱保護、過電壓保護電路等特性。電路圖如圖6所示。
圖6：采用LV5026MD的非隔離降壓LED驅動器 使用LV5026MD的LED照明驅動電路時，改變電路構成可以提高功率因數。對應方法包括：減小AC電壓平滑用電容器，擴大AC電流的導通角；控制功率場效應管中流的電流同輸入的AC電壓成比例。 總結 NCL30000和LV5026MD均支持隔離及非隔離拓撲結構，可以提供更高的能效，在主電源輸入電壓及LED負載范圍內提供緊密的LED穩流；同時，具有高功率因數和低THD特性，可以優化切相調光器應用。安森美半導體提供的寬范圍的LED驅動器方案，配以相關工具及支持，有助于實現緊湊設計，適合不同的中低功率LED照明應用，同時幫助客戶加快產品上市。 供稿：安森美半導體 |
