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LED照明应用的离线型AC-DC开关电源解决方案

与传统的光源相比,发光二极管(LED)具备众多的优点,如工作电压低,能效高,很小巧并产生定向光。它们能够提供极宽广的色彩以及白光,不产生红外(IR)或紫外(UV)辐射,而且由于它们是固态器件,在机械上很强固,并且不含汞,在恰当设计和使用时能够具有超过5万小时的工作寿命,远长于标准白炽灯的1千小时寿命。此外,它们还完全可调光。这些优点使得LED的应用越来越广泛,如今已拥有众多的应用市场,如建筑景观照明、交通信号灯、显示屏、零售、中小尺寸液晶显示屏(LCD)背光、汽车和太阳能等,并在街道照明、住宅照明乃至中大尺寸LCD背光方面拥有越来越大的发展空间。

高亮度LED对于照明设计、全球能源节省和创新产品具有重大意义,对催生固态照明革命至关重要。这种革命需要一种整体性的途径,在这其中,LED与电源

转换和控制电子器件以及热管理解决方案和光学器件集成在一起。

LED照明应用的电源解决方案

如上所述,LED本质上是低电压器件;根据色彩和电流的不同,LED的正向电压介于不足2 V至4.5 V之间。此外,LED需要采用恒定电流来驱动,从而确保获得所需的发光亮度和色彩。这就需要相应的电源转换和控制解决方案能够适应不同的电源,无论是交流线路、太阳能板、12 V汽车电池、直流电源或低压交流系统,甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池。

作为一家全球领先的高能效电源半导体供应商,安森美半导体专注于运用自身的低电压和高电压技术以及在电源管理解决方案方面的专长来应对LED照明所面临的挑战:无论是便携显示产品、汽车内部照明或LED信号灯的镇流器。在下文中,我们将结合LED照明的多种不同应用,如建筑、工业、汽车和便携应用等,讨论安森美半导体相应的驱动电源解决方案。

1)可集成最高700 V高压FET的离线型AC-DC开关电源解决方案

安森美半导体在将电源从交流主电源转换为功率等级在几瓦至几百瓦范围之间、适合多种不同应用的可用能源方面拥有丰富的经验。安森美半导体开发出了结合高压开关晶体管和中等电压模拟电路的极高压集成电路(VHVIC),针对宽广的功率需求提供集成了高性价比解决方案。安森美半导体提供多种固定频率控制器和转换器,将电压高至700 V的高压场效应管(FET)集成至简单、经济、元件数量少的解决方案之中。

单片交流-直流(AC-DC)恒流驱动器,功率范围在5至15 W之间,如NCP1013、NCP1014和NCP1028等。

NCP系列离线控制器,同时包含隔离型和非隔离型,功率高达150 W。安森美半导体提供用于街道照明、具有单段式功率因数校正器(PFC)的参考设计。图1(b):输入功率介于10至25 W的LED照明解决方案功能框图

PFC解决方案

对于功率低于25 W(230 Vac)的较低功率应用而言,最常用的是集成电源开关稳压器,因为它可以将元件数量减至最少。高于这个功率范围,则可以使用控制器,因为控制器为设计人员在选择这种应用最适合的高压FET方面提供灵活性。控制器既可用于隔离应用,也可用于非隔离应用,而安森美半导体提供多种不同的增值特性,允许设计人员针对其具体设计要求优化设计。图2:NCP1351离线式LED驱动器参考设计

图2显示的是安森美半导体NCP1351离线式LED驱动器参考设计。这参考设计的输入功率范围介于85至265 Vac之间,具有尺寸小、成本低、良好线路稳压等特性,在20 W负载具有80%的高能效,并集成了过载保护和短路保护等安全特性,最大尺寸仅为125×37×35 mm。图3(a):传统的2段式PFC架构

IEC1000-3-2标准设定了限制注入至交流线路中谐波的规范。就照明应用而言,如果输入功率大于25 W(C类),这个规范就会适用。此外,即使在某些地区并不要求遵从这项IEC规范,也可能对最低功率因数提出要求。这样一来,这些应用中就需要前端PFC控制器。增加这样一个段会导致符合能效和空间等其它系统要求方面的困难,除非作出明智的选择。图3(b):改进的单段式PFC架构

幸运的是,安森美半导体深刻理解这些挑战,拥有创新的PFC控制器产品阵容,符合设计人员对简单、紧凑和强固解决方案的期望。安森美半导体不仅支持传统的2段式应用,也推出了数款进一步简化设计的独特解决方案,如NCP1651单段式反激控制器。

NCP1651在单芯片解决方案中集成了功率因数校正和转换器,带有外部FET,允许根据所需功率实现可扩展的解决方案。NCP1651具有隔离型降压功能,支持连续或不连续模式操作,并支持平均电流模式控制(ACMC)和固定频率控制,其高精度乘法器可用于降低总体谐波失真(THD)。它还具有过温关闭和外部关闭等功能。这款单段式PFC控制器适合于电子镇流器、街灯、交通信号灯和照明等应用。

对于输入功率介于25 W和60 W之间的LED照明应用而言,可以采用NCP1351这样的PWM控制器;对于输入功率在60 W至150 W范围而言,PWM控制器可以采用NCP1271;输入功率在150 W至300 W范围的,可以采用NCP1396这样的PWM控制器。而对于25 W至300 W的输入功率范围而言,都可以采用临界导电模式(CRM)的PFC控制器NCP1606。

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