单段式高功率因数TRIAC调光LED驱动器设计

国际能源署(IEA)估计，在全球消耗的电能中，有19%是用于照明，所以“高效照明”是近几年重点研究的话题。近年来,世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替代低能效的白炽灯光源。而随着发光二极管(LED)的快速进步，再结合LED在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势,LED照明 (也称固态照明 ,或SSL)迅速成为一种极为引人注目的替代解决方案。

针对LED照明的能效规范要求　　

为了推广高效照明,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+)。　　

13W LED嵌灯设计示例　　

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。　　

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,并使输入电流波形看上去象是电阻型载的波形。这对兼容TRIAC调光非常重要,因为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入电压波形保持同相。　　

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350 mA的恒定电流,并为初级端提供反馈,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,进入恒压控制模式,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。

图1：基于NCL30000的单段式CrM反激LED驱动器GreenPoint?参考设计简化框图

4、测试 结果　　

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入电流总谐波失真,可以看出这参考设计的功率因数很高(超过商业照明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平均计算,可得出总平均能效为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15 W电源79.1%的能效要求。损耗来源中包含输入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输入线路电压条件下的功率因数和总谐波失真

图3：输入电压为115 Vac时不同负载条件下的能效

总结　　

要设计出满足符合下一代LED照明的离线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的单段式CrM TRIAC调光LED驱动器GreenPoint?参考设计达到了所有关键性能指标,如“能源之星”1.1版商业及住宅应用固态照明功率因数要求,甚至是代为参考的2.0版外部电源在关键负载条件下的能效要求。这参考设计还为系统开发人员提供灵活性,使他们能够升高或降低功率,满足不同功率应用的要求。这种途径让设计人员能够灵活应对LED光效提升,便于他们设计LED数量更少但仍提供预期光输出的灯具。