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    离线高功率因数TRIAC调光LED照明驱动器设计

    离线高功率因数TRIAC调光LED照明驱动器设计

      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代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,平均每流明光输出的成本也在下降,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)成为一种极为引人注目的替代解决方案。

      1、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。

      2、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。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15W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:

      要设计满足下一代固态照明产品所有要求的离线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。

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