基于NCP1075和NCP4328A的高功率因数高压LED升压驱动方案
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推动这类LED进展的部分因素在于业界渴求优化从交流主电源电压到LED串电压的电源转换，同时简化驱动器电子电路。事实上，在某些情况下，它们被以“无驱动器”的名义来推广，因为二极管桥和线性稳压器就能构成简单的电路。但此方法有几种缺点。由于在每个线路周期的部分时间内，当输入电压低于LED正向电压时，LED处于关闭状态，故需要更多的LED来产生所要求的流明输出。此外，LED灯泡在100/120 Hz时呈现出超过100%的纹波。而在照明领域，低频纹波对人们工作效率的影响问题一直存在，业界仍在研究相关效应，着手设定可接受的LED光源闪烁量指引，因为LED光源闪烁更令人敏感，不像钨丝灯那样持续发光。 图1：典型高压LED产品示例 采用升压拓扑结构来驱动高压LED 如果LED串能够配置为正向电压VF高于峰值交流电源电压，那就就以使用升压拓扑结构来驱动LED。输出电压必须高于施加的交流输入峰值电压。以最高额定电压为265 Vac计，那么，适合此升压转换器应用的LED最小电压绝对值：265 Vac x √2 = 375 Vdc。 升压转换器能提供高功率因数及低总谐波失真(THD)，能进行精确稳流而无论LED正向电压及交流线路电压如何变化，还解决了纹波问题，无须在设计中使用更多数量的LED来提供所要求的流明输出。值得注意的是，许多低功率LED也可以配置为长串形式，用于提供所要求的高压，而这在诸如线性灯管等分布式照明应用中尤其具备吸引力。 本文所建议的升压转换器提供恒定输出电流，补偿输入线路电压范围及LED电压和温度变化。这驱动器的设计指引如下： 输入电压范围：200 – 265 Vac 输出电流：典型值30 mA 输出电压：典型值393 Vdc 能效：>88% 功率因数：>0.9 负载开路保护 安森美半导体的升压驱动方案采用了NCP1075开关稳压器。NCP1075集成了700 V MOSFET及控制功能，采用节省空间的SOT-223或PDIP-7封装。这单片开关稳压器提供众多保护功能，如带定时器检测的自动恢复输出短路保护(无须担心辅助绕组耦合)、带辅助绕组工作的自动恢复过压保护、交流输入线路电压检测(增强低输入电压条件下的保护)等。此外，这方案还提供内置动态自供电(DSS)功能，无需外部偏置元件。由于不要求偏置绕组，故升压电感能够使用现成的低成本磁性元件。 通常而言，电流模式转换器必须利用模拟乘法器来实现高功率因数。此设计示例中使用了简单的晶体管跟随器来迫使转换器降低交流主电源过零点附近的电流消耗。再结合输入二极管桥之后的小型电容，这种控制方法设定主电源线路电流以跟随施加的交流线路电压波形，因而提供高功率因数。 图2：基于NCP1075和NCP4328A的升压LED驱动电路图。 LED稳流是通过调制跟输入正弦波过零点间隔的导通时间来控制的。由于高功率因数转换器中的大多数功率转换出现在正弦波峰值附近，使用正弦波峰值附近的受控开关平衡过零点附近的特性，就提供高功率因数及高稳流精度。 恒流控制是使用与LED负载串联的感测电阻来实现的。电阻电压由安森美半导体组合型恒压/恒流控制器NCP4328A来处理。内置参考为电流控制环路提供额定62.5 mV电平，并为电压控制环路提供1.250 V电平。这些放大器内部结合以提供紧凑型5引脚TSOP封装中的单个输出控制引脚。 值得注意的是，NCP4328A的额定供电电流仅为105 μA。由于供电电流电平如此之低，NCP1075的动态自供电(DSS)功能也可为此控制器提供偏置电源。因此，偏置网络非常简单，仅有滤波电容及连接电容与NCP4328A之间的走线。
图3：基于NCP1075和NCP4328A的升压LED器电路板原型(PCB尺寸为24 x 35 mm)。 在这设计中，NCP4328A控制器的另一半提供负载开路保护。精密的稳流使LED工作电压接近于升压滤波电容的最大额定电压，而没有常见的容限顾虑。有关安森美半导体这参考设计电感、电阻及电容等元件的选择，请参见参考资料1，获取更详细信息。 性能测试结果 这高压LED升压驱动电路板的性能测试结果显示提供高能效。如在190至255 Vac输入电压范围内，这设计的能效高于91%。同时LED稳流精度也保持在高水准，见图4。 图4：基于NCP1075和NCP4328的高功率因数LED升压驱动电路板能效测试结果。 图5：基于NCP1075和NCP4328的高功率因数LED升压驱动电路PF及THD结果。 同时，此电路设计也提供高功率因数，如190至255 Vac电压范围内功率因数高于0.94。同时，输入电流总谐波失真(THDi)也保持极低。此外，谐波含量和EMI信号也符合相关规范标准。 总结： 典型正向电压范围在24 V至超过200 V的高压LED的应用日渐增多，用以优化交流主电源电压到LED串电压的电源转换，并简化驱动电子电路。由二极管桥和线性稳压器构成的驱动电路很简单，但也存在多种缺点。有鉴于此，本文提出采用升压拓扑结构来驱动高压LED串的方法，介绍基于安森美半导体NCP1075开关稳压器和NCP4328A恒压/恒流控制器的高压LED串用升压驱动电路设计。此设计提供高能效和高功率因数，同时提供低总谐波失真及低谐波含量，符合设计指引及能效规范要求。 |
