近年來，世界上眾多國家致力于以更高能效的照明方案來替代低能效的白熾燈。而隨著發光二極管(LED)在發光性能及成本等幾乎各方面持續改進，LED在通用照明領域已經成為極引人注目的解決方案。從供電電源來看，LED照明也包括高壓AC-DC、中等電壓AC-DC或DC-DC以及電池供電等不同類型。本文將著重探討用于低功率(一般低于30 W) AC-DC LED通用照明應用的驅動器方案及其在PAR30、A型燈等應用中的示例。
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。
LED驅動器應用要求 對于LED通用照明應用而言，目前成本還相對較高，故高性比的LED驅動器無疑會更受青睞。此外，LED驅動器也應該具有高能效(低損耗)、高可靠性、符合電磁干擾(EMI)及諧波含量或功率因數(PF)等標準、靈活、適應寬環境條件、可改造用于已有應用、支持傳統控制方式工作(兼容傳統調光)等。
其中，就功率因數要求而言，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)，適用于特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈等。該標準針對住宅應用部分要求功率因數高于0.7，針對商業應用部分要求功率因數高于0.9，而整體式LED燈泡的要求是輸入功率高于5 W的燈泡功率因數大于0.7。當然，并非所有國家都絕對強制要求在照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求。例如，公用事業機構可能大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用。
圖1：傳統兩段式架構與改進的單段式架構對比
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。
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，因為控制原理簡單，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(μA)的低啟動電流及典型值2 mA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
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三端雙向可控硅開關器件(TRIAC)調光。但TRIAC調光器原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驅動器兼容TRIAC調光器也很重要，這樣有利于用戶沿用已有壁式TRIAC調光器，節省支出。
圖3：NCL30000調光性能演示(通過改變調光器位置來在350 mA至1.7 mA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18 W、支持4至15顆LED @ 350 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(見左圖)，且在寬LED正向電壓條件下維持極佳穩流效果和高能效(右圖)。
圖4：演示板測量能效結果(左圖：輸入電流THD及功率因數；右圖：負載穩流及能效)
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。安森美半導體相應開發了一些燈泡替代參考設計，介紹如何使用安森美半導體的驅動器方案來應對這些挑戰。
圖5：基于NCL30000的11 W LED PAR30燈泡改造示例。
以PAR30燈泡替代應用為例，安森美半導體的應用注釋《11 W TRIAC可調光PAR30 LED燈泡驅動器》(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150 mA，3串共450 mA)。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11 W，包含115 Vac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40 W(光輸出約450 lm)或60 W(光輸出約600至800 lm)。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。
有利的是，安森美半導體已經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驅動器參考設計(見圖6)。這參考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。
圖6：基于NCP1607的高功率因數A19燈泡E26/E27驅動器方案。
本文圍繞低功率AC-DC LED通用照明應用，著重分析了隔離型LED驅動器的應用設計要求，介紹了安森美半導體相應的單段式隔離型高功率因數LED驅動器方案NCL30000，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，并分享了安森美半導體已開發或正在開發的PAR30及A型LED燈泡替代參考設計，幫助設計工程師縮短設計周期，加快產品上市。
