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277 Vac；兼容TRIAC調光等傳統特定照明要求。另外，LED通用照明還要符合仍在演進的標準及安全規范，如美國“能源之星”和歐盟的國際電工委員會(IEC)要求。

    安森美半導體一直致力于為LED照明提供豐富的解決方案，推出各種符合最新LED照明標準的產品，包括AC-DC電源IC，DC-DC驅動器，CCR穩流器，恒流恒壓(CCCV)控制，高壓FET， 整流器，數字接口，環境光傳感器，保護，電力線通信(PLC)調制解調器等等。本文主要介紹用于LED照明的AC-DC電源方案及相關電路，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。

    安森美半導體LED照明方案

圖1：安森美半導體LED照明方案應用示意圖

    在安森美半導體用于LED照明的AC-DC電源方案中，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。圖2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2：LED照明的AC-DC電源方案輸出功率與效率的對比

    針對1至30 W功率AC-DC應用的LV5026/27/28系列LED控制器

    該系列是安森美半導體成員公司三洋半導體的LED控制器--LV5026M、LV5028TT和LV5027T，其中LV5026M具有TRIAC調光、PWM調光、模擬調光和功率因數校正功能；LV5028TT只有TRIAC調光和功率因數校正功能。LV5026/7/8 TRIAC調光電路如圖3所示。

圖3：LV5026/7/8 TRIAC調光電路

    以功能最多的LV5026M為例，它是兼容不同調光的高壓LED控制器，調光方式為TRIAC、模擬輸入或PWM輸入，可選擇開關頻率(50 kHz，開路70 kHz)。該方案是一個低噪聲開關系統，采用5段跳躍模式頻率，可階躍驅動開關；其參考電壓可以選擇(內部0.605 V及外部輸入電壓)，具有軟啟動功能和TRIAC穩定功能。

    旨在降低電磁干擾(EMI)的PWM控制架構具有優于競爭產品的特性。它采用2階躍驅動，可顯著減少噪聲；非恒定周期的5個級別頻率可有效消除EMI峰值。

    低功率AC-DC LED電源轉換有兩種方式，一種是非隔離降壓，要求機械式絕緣；其設計及電路配置簡單，電路板尺寸小，元件數量少，能效較高，物料單(BOM)成本也更低。另一種是隔離反激，采用電氣(磁)隔離，易于滿足安全要求，磁學設計較復雜，適合較高功率的設計，需要較大的電路板尺寸。

    LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈，可實現以下產品特性：采用階躍門驅動方法，具有振蕩頻率回轉功能、高門能力驅動電路、可外部調節參考電壓、支持多種調光器(TRIAC調光、數字調光和模擬調光)；此外還支持軟啟動、過流保護、熱關閉、過壓保護等。LV5027M/LV5028M是LV5026M的簡化版本，外部元件數量更少。

圖4：LV5026/7/8用于非隔離A19 LED燈

    針對要求高能效及空間受限應用的低功率降壓方案NCL30100

    NCL30100是一款高能效、峰值電流控制自適應固定關閉時間降壓控制器，可用于空間及高能效至關重要的低功率及空間受限的應用，如MR16 LED燈等。該方案具有振蕩頻率可調節特性，采用連續導電模式(CCM)，可以省去輸出電容，能效更高，并提供自然的LED開路保護。使用NCL30100可利用負電流感測，用小型電感降低功率損耗，實現低成本、高能效(100 Vac Vo=36 V，能效>90%)及元件數量少的應用。

圖5：單電壓輸入降壓方案NCL30100

    低功率離線降壓方案NCP1015

    NCP1015單片開關電源IC能滿足交流85－265 Vac寬電壓輸入范圍，適合輸出功率在10 W以內低功率離線降壓LED照明設計。這器件提供豐富特性，如軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定及動態自供電(DSS)等，不僅提升能效，還增強可靠性。在C8和IC的第1腳間加一個電阻可以提高能效，適合小電流、高電壓輸出。

圖6：NCP1015降壓方案

    適合降壓及降壓-升壓兩種配置的中低功率AC-DC方案NCL30000

    采用NCL30000的“平均電流穩流”拓撲結構可以選擇兩種配置，一種是降壓配置(包含抽頭電感降壓配置)。其電感與LED串串聯，僅在輸入電壓大于輸出壓降時有電流流動；功率因數(PF)及輸入電流總諧波失真(THDi%)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，THDi越高。

    另一種是降壓-升壓配置，電感沒有與LED串串聯，輸入電流波形或失真與輸出壓降無關；固有的LED故障保護功能在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)。

    降壓拓撲結構工作原理是，僅在輸入電壓超過LED正向壓降(VF)時有電流流過；利用臨界導電模式(CrM)及恒定導通時間工作提供高功率因數；可直接感測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電壓應力等于峰值線路電壓。

    圖7是NCL30000高功率因數降壓方案應用電路，需要線路可調光時，可根據線路及負載功率調節最大導通時間；兼容TRIAC或尾沿(晶體管)調光器；專用于一種線路電壓(120 Vac或230 Vac)時，可切相調光來優化EMI濾波器設計，降低X電容值，將峰值電流減至最小。

圖7：NCL30000高功率因數降壓方案應用電路

    以下介紹的是基于NCL30000的兩個AC-DC隔離電源方案實例。

    1) 支持熱反走的AC可調光A19 LED燈：輸入電壓為90至135 Vac，5 W額定輸出功率(10 V @ 500 mA)，可驅動3顆串聯LED；隔離式熱反走，溫度上升時線性減小輸出電流；功率因數>0.96，能效>77%；針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；兼容TRIAC及晶體管調光器。

圖8：熱反走AC可調光A19 LED燈

    2) AC可調光PAR30 LED燈：可用于輸入電壓115 V/230 V的燈，11 W額定輸出功率(24.5 V @ 450 mA)，驅動串聯/3串并聯的8顆LED；隔離式；功率因數>0.96，能效>83%，針對“能源之星”1.1版整體式LED燈要求；兼容TRIAC及晶體管調光器。

圖9：AC可調光PAR30 LED燈

    用于中大功率AC-DC LED照明應用的NCL30001方案

    NCL30001功率因數校正(PFC)可調光LED驅動器適用于中大功率應用(功率可達90 W)，如建筑物裝飾光。支持的調光有三種方式：1-10 V模擬電壓輸入(1 V = 最小值，10 V為100%導通時的值)；兩級雙電平模擬調光；以及PWM調光(調光頻率范圍350 Hz至3 kHz,調光范圍> 10:1)。保護特性包括：輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護、過壓保護和過溫反走。

圖10：NCL30001用于建筑物裝飾光

    用于大功率建筑物裝飾光應用的NCL30051方案

    NCL30051是一款專用LED電源集成電路(IC)，能夠為降壓DC-DC轉換器/LED驅動器(如NCL30160)提供恒定電壓。這器件集成了一個臨界導電模式(CrM) PFC控制器及一個半橋諧振控制器，并內置600 V驅動器，針對離線電源應用進行了優化，具備了所有實現高能效、小外形因數設計所需的特性。NCL30051能夠用于功率達100 W的建筑物裝飾光應用，在修改元件條件下，最大可以支持250 W功率。NCL30051支持的調光方式包括1-10 V模擬電壓輸入(1 V = 最小值，10 V為100%導通時的值)、兩級雙電平模擬調光，以及PWM調光(頻率范圍100至300 Hz，調光范圍>10:1)。保護特性包括：輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護、過壓保護。

圖11：NCL30051用于大功率建筑物裝飾光

    此外，安森美半導體的GreenPoint®設計仿真工具讓設計人員僅用幾個步驟即可完成選擇產品、確定設計要求、自動產生設計(電路圖)、仿真及驗證、物料單(BOM)及報告、下載報告為PDF文件、保存文件及分享等一系列流程，從而實現快速、易用、高效的LED產品開發。

    總結

    安森美半導體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。<