LED通用照明設計工程師會遇到許多挑戰，如功率密度、功率因數校正(PFC)、空間受限和可靠性等。這些LED照明設計挑戰和電源設計挑戰類似，具體講，LED通用照明有以下幾個挑戰：由于總光效要求及散熱限制的影響，即使是低功率應用能效也很重要;在許多情況下，較低功率也要求功率因數校正和諧波處理;在空間受限應用中，特別是替代燈泡應用時，對驅動功率密度的要求很高;總體電源可靠性對提高整個燈的壽命非常重要;寬輸入電源電壓范圍應該支持高達277Vac;兼容TRIAC調光等傳統特定照明要求。

　　本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源設計方案及相關電路，幫助工程師應對上述挑戰，設計出滿足通用照明要求的產品。下面我們先來了解AC-DC電源轉換拓撲結構。

　　AC-DC電源轉換拓撲結構比較

　　對于低功率AC-DC LED電源轉換而言，可以選擇隔離型反激或非隔離降壓等不同拓撲結構。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，非隔離拓撲結構設計及電路板配置簡單、電路板尺寸小、元件數量少、能效更高，而隔離拓撲結構易于滿足安規要求，但磁學設計復雜，要求較大的電路板尺寸。本文將聚集于隔離型拓撲結構的AC-DC LED驅動器方案。

　　提供高功率因數的NCL30000隔離型LED驅動器方案

　　要提供高功率因數，同時符合其它應用要求，就有必要使用高功率因數的電路架構。這樣一來，傳統的兩段式架構(PFC升壓+脈寬調制(PWM)反激轉換)就無法滿足要求了。有利的是，諸如安森美半導體NCL30000功率因數校正可調光LED驅動器采用單段式架構(見圖1)，可以提供達0.9甚至更高的功率因數。這器件采用緊湊的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，省下專門的DC-DC轉換電源段，幫助減少元器件數量，降低系統總成本。

圖1 傳統兩段式架構與改進的單段式架構對比

　　NCL30000 采用的恒定導通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應用，因為控制塬理簡單，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效。NCL30000工作溫度范圍為-40至+125℃，確保能用于大多數LED通用照明應用中規定的不同環境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安的低啟動電流及典型值2mA的低工作電流，配合高能效設計。這器件也集成前沿消隱(LEB)電路，防止故障觸發，還集成強固的故障處理能力。

圖2 基于NCL30000的隔離型反激LED驅動器GreenPoint參考設計簡化框圖

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　　配合TRIAC調光

　　除了要提供相關規范標準所要求的高能效及高功率因數，考慮特定的終端應用需求也很重要。如目前最常用的燈光亮度調控方法是叁端雙向可控硅開關器件 (TRIAC)調光。但TRIAC調光器塬本針對電阻型負載的白熾燈(白熾燈在電路中的作用就象是電阻)。因此，LED驅動器

圖3 NCL30000調光性能演示(通過改變調光器位置來在350 mA至1.7mA之間調光)

　　有利的是，NCL30000兼容尾沿晶體管調光器及前沿TRIAC調光器，能夠提供高于0.95的高功率因數，使輸入電流波形看上去像是電阻型負載的波形，而這對兼容TRIAC調光器非常重要，因為用示波器截取的波形顯示，優化設計的NCL30000單段式CrM反激LED驅動器的基本電流波形與輸入電壓波形保持同相(參見圖3)。

　　演示板能效測試結果

　　安森美半導體基于NCL30000開發了目標功率低于18W、支持4至15顆LED350 mA且支持TRIAC調光(針對12顆LED進行預配置)的參考設計演示電路板。輸入電壓范圍為90至305 Vac的NCL30000演示電路板的能效測試結果顯示，寬輸入電壓范圍下的功率因數達到或超過0.95,且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩流效果和高能效。

圖4 演示板測量能效結果

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　　應用示例

　　對于LED照明應用而言，燈泡替代是重要的應用領域，如拋物形滲鋁反射器(PAR)替代(PAR20/30/38)、A型燈替代(如A19)等。但燈泡替代應用存在獨特挑戰，如散熱限制、尺寸受限及兼容的調光技術等。

圖5 NCL30000的11 W LED PAR30燈泡改造示例

　　以 PAR30燈泡替代應用為例，AND8463/D介紹了如何使用NCL30000單段式功率因數校正隔離型反激控制器來設計LED PAR30燈的完整電源轉換方案，用于驅動串聯-并聯配置的3串共24顆LED(每串8顆LED，每串電流150mA，3串共450mA)。這參考設計使用市場上購得的LED散熱片和E27 Edison底座，有效處理散熱及尺寸受限問題。此設計的目標輸出功率為11W，包含115Vac版本(功率因數高于0.9,輸入電流THD《20%)和230 Vac(遵從IEC61000-3-2規范)兩種版本，LED電流穩流精度達±5%，LED電壓范圍21至27 Vdc,能效高于82%,兼容TRIAC及電子低壓調光器調光，且遵從FCC B類導電型EMI標準。

　　PAR30燈泡是特定指向照明的一個示例。現實中也存在許多全向照明應用，如A型燈。LED A型燈以標準A型燈尺寸來替代傳統A型白熾燈，是商業及住宅照明應用的極佳節能替代解決方案，不僅更環保，而且更易于維護和替代。傳統白熾燈存在不同功率等級，如40W(光輸出約450 lm)或60W(光輸出約600至800lm)。如今一流的暖白光LED的光效處在100 lm/W范圍內。考慮到熱效應及光電轉換效率，要提供450 lm光輸出，大約需要5至7顆LED.安森美半導體目前正在開發應用于LED A型燈的NCL30000 TRIAC可調光方案。

圖6 NCP1607的高功率因數A19燈泡E26/E27驅動器

　　有利的是，此方案是基于臨界導電模式功率因數校正控制器NCP1607開發出了A19燈泡LED驅動器設計(見圖6)。這設計的輸入電壓范圍為90至265 Vac,額定輸出功率約為6.4 W(16.5 @ 400 mA)，采用隔離型單段式設計，在輸入電壓范圍內功率因數高于0.9,能效高于80%,符合IEC61000-3-2 C類諧波含量標準(輸入THD《15%)，遵從FCC B類導電型輻射標準，設計時就顧及到了符合UL8750安規，并符合“能源之星”針對整體式LED燈泡的1.1版規范要求。

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　　設計方案

　　對用于LED照明的AC-DC電源設計方案，1至10 W的照明應用中推薦使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,這些方案集成了MOS管，適用于隔離和非隔離應用，支持次級PWM調光、模擬調光或雙亮度等級調光，能效高達75-80%;1至30 W的應用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔離方案，典型能效85%左右;1至40 W推薦使用NCL30000,可進行初級可控硅調光，適用于隔離和非隔離方案，隔離方案能效80-85%。40至150 W推薦使用NCL30001,它是一個連續導電模式(CCM)控制芯片，隔離方案的典型能效85-90%;更大功率推薦使用NCL30051.下圖7是這些方案輸出功率與能效的對比。以下將具體介紹這些方案的功能和特點。

圖7:LED照明的AC-DC電源方案輸出功率與效率的對比

　　總結

　　本文圍繞低功率AC-DCLED通用照明應用，著重分析了隔離型LED驅動器的應用設計方案，相應的介紹了單段式隔離型高功率因數LED驅動器方案NCL30000, 并分析了NCL30000如何配合相關要求，如支持TRIAC調光、提供高能效、恰當散熱及符合相關能效規范標準，并利用在高能效電源及封裝方面的核心專長及優勢，為LED照明應用，特別是通用照明提供了符合各種規范要求控制和驅動器件。這些方案采用獨特的LED驅動電源架構、模擬及調光技術、反激轉換器及非隔離拓撲結構，配合廣泛的應用范圍，為實現各種通用照明設備提供更多的選擇。