采用NCL30000的单段式CrM TRIAC调光LED驱动器设计

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  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高功率因数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高功率因数(通常大于0.95+)。

  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。

  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,但兼容已有线路调光方案很重要。因此,应当针对三端双向可控硅开关器件(TRIAC)壁式调光器来优化设计。TRIAC调光的挑战不少,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。

  表2:关键设计目标

3)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。