离线高功率因数TRIAC调光的绿色LED驱动器参考设计
时间:2023-09-25 22:56来源: 作者: 点击: 次
据国际能源署(IEA)估计，全球消耗的电能中有19%是用于照明。因此，近年来，世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替换低能效的白炽灯光源。而随着发光二极管(LED)在流明输出及光效方面持续快速进步，同时，均匀每流明光输出的本钱也在下降，再结合LED在高指向性、长寿命和低维护本钱等方面的上风，LED照明(也称固态照明，或SSL)成为一种极为引人注目的替换解决方案。
针对固态照明的能效规范要求
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。如欧盟的国际电工同盟(IEC)规定了功率大于25W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贸易照明灯具(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。值得留意的是，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，贸易应用要求的PF大于0.9，而集成LED灯光的要求是PF大于0.7。
当然，并非所有国家都尽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的产品在公用设施中的贸易应用。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(通常大于0.95+)。
13W LED嵌灯设计示例
1)参照代用标正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。灯具开发职员因而可以在LED的选择、光学组件的使用、热治理方案、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版住宅及贸易应用固态照明规范1.1版对嵌灯的关键系统要求。
由于没有直接适用的能效标准，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49W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12W额定功率电源的最低能效为77.7%，15W电源则为79.1%。由于LED灯具标准基于输进插座能效，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16.4W×80%，即13.1W。
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350mA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职员可以选择宽范围的LED，所选LED的光效越高，要求采用的LED数目就越少。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，固然标准中并无要求，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，但有一项因素设计职员可能轻易忽略，就是驱动器应当能够能在低斩波(chopped)交流输进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。还应该留意一项人的因素要求。固然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贸易应用，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。
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，帮助减少元器件数目，降低系统总本钱。但采用单段式拓扑结构，系统也会受到一些影响，如无低级高压能量存储，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题目，由于LED照明应用无系统维持时间要求，而且纹波汇进均匀光输出，人眼不会察觉。
设计针对高功率因数(PF>0.95)有利于轻松符合SSL灯具的商用照明要求，并使输进电流波形看上往象是电阻型载的波形。这对兼容TRIAC调光非常重要，由于TRIAC调光器原本用于白炽灯，而白炽灯在电路中的作用就象是电阻，即充当电阻型负载。用示波器截取的波形显示，优化设计的单段式CrM反激电源的基本电流波形与输进电压波形保持同相。
图1显示的是安森美半导体基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。从图1中可以看出，隔离反激的次级端有恒流恒压(CCCV)控制模块。这模块有两个主要功能，一是紧密稳流350mA的恒定电流，并为低级端提供反馈，用于调节导通时间，对流经LED的恒定电流进行稳流；二是在发生开路事件时，进进恒压控制模式，在故障事件下产生稳压固定电压。开路电压稳压为UL1310 2类电源的60 Vdc最大电压限制。此外，无意中碰到输出短路时，还能限制功率，避免损坏LED。
这GreenPoint参考设计的具体设计过程参见安森美半导体另行提供的NCL3000数据表及两篇设计笔记，参见参考资料[2]至[5]。
测试结果显示，这参考设计的性能超过了表2中所列的全部设计目标，参见图2(详见参考资料[1])。图2显示了90到135 Vac线路电压范围下LED驱动器的功率因数和输进电流总谐波失真，可以看出这参考设计的功率因数很高(超过贸易照明0.9的最低功率因数要求)，总谐波失真低(20%)。图3显示了不同负载条件下的LED能效。将25%、50%、75%和100%四个工作点下的能效作均匀计算，可得出总均匀能效为80.7%；而在50%至100%负载的关键工作区域，能效范围为81.1%至82%。这不仅超越本参考设计定下的80%能效目标，还超过了EPS 2.0标准对15W电源79.1%的能效要求。损耗来源中包含输进EMI段支持TRIAC调光所需的15欧姆限流电阻的能耗。
要设计满足下一代固态照明产品所有要求的LED驱动器存在不少挑战。本参考设计文档显示，安森美半导体基于NCL30000的单段
针对固态照明的能效规范要求
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。如欧盟的国际电工同盟(IEC)规定了功率大于25W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贸易照明灯具(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。值得留意的是，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，贸易应用要求的PF大于0.9，而集成LED灯光的要求是PF大于0.7。
当然，并非所有国家都尽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的产品在公用设施中的贸易应用。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(通常大于0.95+)。
13W LED嵌灯设计示例
1)参照代用标正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。灯具开发职员因而可以在LED的选择、光学组件的使用、热治理方案、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版住宅及贸易应用固态照明规范1.1版对嵌灯的关键系统要求。
表1：“能源之星”1.1版住宅及贸易固态照明规范之嵌灯关键要求
由于没有直接适用的能效标准，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49W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12W额定功率电源的最低能效为77.7%，15W电源则为79.1%。由于LED灯具标准基于输进插座能效，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16.4W×80%，即13.1W。
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350mA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职员可以选择宽范围的LED，所选LED的光效越高，要求采用的LED数目就越少。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，固然标准中并无要求，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，但有一项因素设计职员可能轻易忽略，就是驱动器应当能够能在低斩波(chopped)交流输进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。还应该留意一项人的因素要求。固然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贸易应用，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
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，帮助减少元器件数目，降低系统总本钱。但采用单段式拓扑结构，系统也会受到一些影响，如无低级高压能量存储，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题目，由于LED照明应用无系统维持时间要求，而且纹波汇进均匀光输出，人眼不会察觉。
设计针对高功率因数(PF>0.95)有利于轻松符合SSL灯具的商用照明要求，并使输进电流波形看上往象是电阻型载的波形。这对兼容TRIAC调光非常重要，由于TRIAC调光器原本用于白炽灯，而白炽灯在电路中的作用就象是电阻，即充当电阻型负载。用示波器截取的波形显示，优化设计的单段式CrM反激电源的基本电流波形与输进电压波形保持同相。
图1显示的是安森美半导体基于NCL30000的单段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。从图1中可以看出，隔离反激的次级端有恒流恒压(CCCV)控制模块。这模块有两个主要功能，一是紧密稳流350mA的恒定电流，并为低级端提供反馈，用于调节导通时间，对流经LED的恒定电流进行稳流；二是在发生开路事件时，进进恒压控制模式，在故障事件下产生稳压固定电压。开路电压稳压为UL1310 2类电源的60 Vdc最大电压限制。此外，无意中碰到输出短路时，还能限制功率，避免损坏LED。
这GreenPoint参考设计的具体设计过程参见安森美半导体另行提供的NCL3000数据表及两篇设计笔记，参见参考资料[2]至[5]。
图1：基于NCL30000的单段式CrM反激GreenPoint参考设计简化框图
测试结果显示，这参考设计的性能超过了表2中所列的全部设计目标，参见图2(详见参考资料[1])。图2显示了90到135 Vac线路电压范围下LED驱动器的功率因数和输进电流总谐波失真，可以看出这参考设计的功率因数很高(超过贸易照明0.9的最低功率因数要求)，总谐波失真低(20%)。图3显示了不同负载条件下的LED能效。将25%、50%、75%和100%四个工作点下的能效作均匀计算，可得出总均匀能效为80.7%；而在50%至100%负载的关键工作区域，能效范围为81.1%至82%。这不仅超越本参考设计定下的80%能效目标，还超过了EPS 2.0标准对15W电源79.1%的能效要求。损耗来源中包含输进EMI段支持TRIAC调光所需的15欧姆限流电阻的能耗。
图2：90至135 Vac输进线路电压条件下的功率因数和总谐波失真
图3：输进电压为115 Vac时不同负载条件下的能效
要设计满足下一代固态照明产品所有要求的LED驱动器存在不少挑战。本参考设计文档显示，安森美半导体基于NCL30000的单段
