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創(chuàng)新的LED驅(qū)動(dòng)器滿足全球?qū)FC和THD的要求

本文作者：James Lee 點(diǎn)擊： 2018-12-20 15:10

前言：

作者：安森美半導(dǎo)體照明細(xì)分市場營銷經(jīng)理James Lee

在LED技術(shù)出現(xiàn)之前，大多數(shù)照明應(yīng)用都是根據(jù)使用的燈泡類型和耗電量來定義的，但LED改變了這一點(diǎn)。今天，同樣的基本固態(tài)技術(shù)適用于低、中、高功率照明應(yīng)用，提供更高的能效和更好的亮度。

在高功率細(xì)分市場，如熒光燈管、路燈和泛光照明的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式燈具，以及其他形式的戶外照明，節(jié)省的電力可能是巨大的。當(dāng)考慮到連接方便性和輸出電平可調(diào)時(shí)，LED照明的業(yè)務(wù)案例就很難被取代了。由于高能效，大多數(shù)LED照明應(yīng)用可以小于100 W的功率級解決，這是非常重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙剿璧碾娫崔D(zhuǎn)換器、LED控制器和LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)器要求
從根本上說，除了白熾燈泡(直接采用交流電源運(yùn)行)以外，大多數(shù)燈都需要某種電源轉(zhuǎn)換。雖然LED照明采用正極或整流電源運(yùn)行，但其他大多數(shù)照明技術(shù)都采用高壓/高頻交流電源運(yùn)行。因此通常有能量損失，能效低，但是對于同樣的亮度，LED消耗的功率要低得多，因此能夠采用低壓AC-DC電源。需要功率小于100 W的燈通常采用單級反激拓?fù)洹慕涣鬓D(zhuǎn)換到直流，同時(shí)提供恒定且穩(wěn)定的電源，以盡量減少閃爍，是從現(xiàn)有的照明轉(zhuǎn)向LED的主要挑戰(zhàn)。

期望整個(gè)照明電路至少在短時(shí)間內(nèi)切換到直流是不合理的，因此有必要為每個(gè)燈泡、燈具或嵌入式燈具開發(fā)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)級。最方便的方法，至少對用戶來說，是將這些器件集成到燈具中，或完美的集成到燈泡本身。

對于低于100 W的應(yīng)用，單級變換器是最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(功率水平超過100 W通常需要多級轉(zhuǎn)換器)。一個(gè)單級轉(zhuǎn)換器可涵蓋廣泛的應(yīng)用，甚至個(gè)別燈泡或打火機(jī)所需的極低功率。

在所有用例中常見的是需要提供功率因數(shù)校正(PFC)和低總諧波失真(THD)；這些因素現(xiàn)在都由政府立法，但實(shí)際水平可能因地區(qū)而異。取決于應(yīng)用消耗的功率，PFC和THD是強(qiáng)制性的，許多制造商正瞄準(zhǔn)替代方案，例如LED正在取代緊湊型熒光燈(CFL)。這在現(xiàn)有的物理空間方面存在重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗械腁C-DC轉(zhuǎn)換和LED控制器/驅(qū)動(dòng)器功能都需要集成到通常只由燈泡本身占用的空間中。

電源轉(zhuǎn)換選擇
由于這些空間限制和立法要求，LED內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換的首選拓?fù)涫遣捎贸跫壎苏{(diào)節(jié)(PSR)的單級反激轉(zhuǎn)換器。這可通過使用比次級端調(diào)節(jié)拓?fù)涓俚钠骷透〉碾娙萜鱽韺?shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體制造商現(xiàn)在提供一系列的器件來滿足這一需求。

PSR的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要任何次級端反饋，這簡化了變壓器的設(shè)計(jì)，無需光電隔離。所采用的調(diào)節(jié)類型對于實(shí)現(xiàn)PFC和THD目標(biāo)也很重要。為了滿足這些要求，制造商正在轉(zhuǎn)向非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。在這種模式下，存儲(chǔ)在變壓器中的電荷在開關(guān)晶體管導(dǎo)通前完全耗盡，因此輸出二極管的電壓也達(dá)到零。這將導(dǎo)致沒有電流流過初級端或次級端的一段時(shí)間，即所謂的死區(qū)時(shí)間，因而這種反激拓?fù)浔幻麨榉沁B續(xù)。它的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)二極管沒有損耗，在輸出功率較低的應(yīng)用中，它可以產(chǎn)生一個(gè)相對較小的變壓器。

但是，它容易受到紋波電流的影響，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生損耗。谷開關(guān)是DCM的延伸，當(dāng)輸出電壓的振鈴處于最低值時(shí)使晶體管導(dǎo)通。這發(fā)生在死區(qū)時(shí)間之初的第一次振蕩，此時(shí)將重新導(dǎo)通晶體管和重新啟動(dòng)功率傳輸周期。這要求控制器能夠檢測輸出電壓上的振鈴，并在檢測到處于谷底時(shí)切換。這通常還需要能夠根據(jù)輸出功率需求改變開關(guān)時(shí)間；提前導(dǎo)通以滿足高需求，或者在需求低的情況下晚一點(diǎn)切換。這種特性也被稱為電壓折返，改變開關(guān)頻率可以降低電磁干擾，同時(shí)，谷開關(guān)也會(huì)由于可變的開關(guān)時(shí)間而導(dǎo)致更高的輸出紋波。

DCM和谷開關(guān)的一個(gè)流行的替代方案是準(zhǔn)諧振(QR)模式，也稱為臨界導(dǎo)通模式(CRM)。在這種模式下，當(dāng)控制器檢測到輸出電壓上的第一次振蕩的底部時(shí)，晶體管導(dǎo)通，提供較低的開關(guān)損耗和所有模式中最高的效率，但使用QR/CrM實(shí)現(xiàn)好的PFC和THD是具挑戰(zhàn)性的。

開發(fā)一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器
NCL3038x是單級反激降壓-升壓(buck-boost)轉(zhuǎn)換器，在QR/CrM模式下工作，為LED或LED串提供恒流和恒壓。然而，與其他QR/CrM控制器不同，NCL3038x提供極佳的PFC(>0.95)和非常低的THD(<10%)。這超越了全球標(biāo)準(zhǔn)，使得這些器件適合用于任何有立法要求的地區(qū)，以符合PFC和THD要求使。圖1展示了NCL30386(帶調(diào)光)將如何用于一個(gè)典型的電路。

圖1：使用NCL30386的典型應(yīng)用

該器件有效地工作在三種模式：在輸出負(fù)載超過80%時(shí)采用CrM，而在負(fù)載低于80%時(shí)使用谷底模式，在非常低的負(fù)載下可以采用頻率反走。這種靈活性有助于在所有條件下提供高能效和極佳的THD。NCL3038x還集成了一個(gè)高壓(HV)啟動(dòng)功能，以確保即使在非常低的負(fù)載下一致的啟動(dòng)時(shí)間和保持運(yùn)行。高壓引腳動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)操作，以在運(yùn)行期間達(dá)到最佳的PFC、THD和穩(wěn)壓。

智能照明
調(diào)光是智能LED照明的一個(gè)重要功能，也是許多LED驅(qū)動(dòng)器(包括NCL30386)支持的特性。這通常使用模擬電平設(shè)置光輸出或脈寬調(diào)制(PWM)信號來實(shí)現(xiàn)；NCL30386都支持。

通常，基于PWM的調(diào)光特性可能會(huì)由于PWM不工作而導(dǎo)致輸出電氣噪聲和閃爍，但使用NCL30386，輸出總是轉(zhuǎn)換為模擬電平，無論通過模擬輸入還是PWM信號調(diào)光。NCL30386使用PWM可支持0%到100%的調(diào)光級別，使用模擬輸入可支持0.5%到100%的調(diào)光級別。圖2顯示了NCL30386的線性和二次輸出曲線。

圖2：NCL 30386調(diào)光曲線選項(xiàng)

輸出的形狀也很重要，通常要么是線性的，要么是二次曲線。前者提供確定性和定期的照明間隔水平，而后者往往被認(rèn)為是更自然的。NCL30386提供線性和二次輸出，還有一個(gè)非調(diào)光版本：NCL30388。

總結(jié)
LED照明由于其使用壽命長、能效高等優(yōu)點(diǎn)，正迅速成為幾乎所有照明應(yīng)用的基準(zhǔn)。然而，它有嚴(yán)格的PFC和THD要求，這可能因地區(qū)而異。與其他LED驅(qū)動(dòng)器不同，NCL3038x采用QR/CrM模式提供高PFC、低THD和更簡單的變壓器設(shè)計(jì)的好處，因?yàn)檫@些器件提供恒流和恒壓，還可提供“冷啟動(dòng)”功能，并作為輔助電源運(yùn)行。在一系列負(fù)載下具備領(lǐng)先的THD與極佳的PFC，制造商可采用單一的、通用的平臺(tái)用于廣泛的地區(qū)和市場，有效地應(yīng)對這些立法要求。

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