如何設計滿足PFC和THD標準的LED驅動器電路方案

2019年10月11日 作者:Teardown

在LED技術出現之前,大多數照明應用都是根據使用的燈泡類型和耗電量來定義的,但LED改變了這一點。今天,同樣的基本固態技術適用于低、中、高功率照明應用,提供更高的能效和更好的亮度。

在高功率細分市場,如熒光燈管、路燈和泛光照明的標準嵌入式燈具,以及其他形式的戶外照明,節省的電力可能是巨大的。當考慮到連接方便性和輸出電平可調時,LED照明的業務案例就很難被取代了。由于高能效,大多數LED照明應用可以小于100 W的功率級解決,這是非常重要的,因為它直接影響到所需的電源轉換器、LED控制器和LED驅動器拓撲結構。

驅動器要求

從根本上說,除了白熾燈泡(直接采用交流電源運行)以外,大多數燈都需要某種電源轉換。雖然LED照明采用正極或整流電源運行,但其他大多數照明技術都采用高壓/高頻交流電源運行。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撲。從交流轉換到直流,同時提供恒定且穩定的電源,以盡量減少閃爍,是從現有的照明轉向LED的主要挑戰。

期望整個照明電路至少在短時間內切換到直流是不合理的,因此有必要為每個燈泡、燈具或嵌入式燈具開發轉換和驅動級。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的應用,單級變換器是最常見的拓撲結構(功率水平超過100 W通常需要多級轉換器)。一個單級轉換器可涵蓋廣泛的應用,甚至個別燈泡或打火機所需的極低功率。

在所有用例中常見的是需要提供功率因數校正(PFC)和低總諧波失真(THD);這些因素現在都由政府立法,但實際水平可能因地區而異。取決于應用消耗的功率,PFC和THD是強制性的,許多制造商正瞄準替代方案,例如LED正在取代緊湊型熒光燈(CFL)。這在現有的物理空間方面存在重大挑戰,因為所有的AC-DC轉換和LED控制器/驅動器功能都需要集成到通常只由燈泡本身占用的空間中。

電源轉換選擇

由于這些空間限制和立法要求,LED內部功率轉換的首選拓撲是采用初級端調節(PSR)的單級反激轉換器。這可通過使用比次級端調節拓撲更少的器件和更小的電容器來實現,半導體制造商現在提供一系列的器件來滿足這一需求。

PSR的一個優點是它不需要任何次級端反饋,這簡化了變壓器的設計,無需光電隔離。所采用的調節類型對于實現PFC和THD目標也很重要。為了滿足這些要求,制造商正在轉向非連續導通模式(DCM)。在這種模式下,存儲在變壓器中的電荷在開關晶體管導通前完全耗盡,因此輸出二極管的電壓也達到零。這將導致沒有電流流過初級端或次級端的一段時間,即所謂的死區時間,因而這種反激拓撲被命名為非連續。它的優點是整個二極管沒有損耗,在輸出功率較低的應用中,它可以產生一個相對較小的變壓器。

但是,它容易受到紋波電流的影響,會導致產生損耗。谷開關是DCM的延伸,當輸出電壓的振鈴處于最低值時使晶體管導通。這發生在死區時間之初的第一次振蕩,此時將重新導通晶體管和重新啟動功率傳輸周期。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切換。這通常還需要能夠根據輸出功率需求改變開關時間;提前導通以滿足高需求,或者在需求低的情況下晚一點切換。這種特性也被稱為電壓折返,改變開關頻率可以降低電磁干擾,同時,谷開關也會由于可變的開關時間而導致更高的輸出紋波。

DCM和谷開關的一個流行的替代方案是準諧振(QR)模式,也稱為臨界導通模式(CRM)。在這種模式下,當控制器檢測到輸出電壓上的第一次振蕩的底部時,晶體管導通,提供較低的開關損耗和所有模式中最高的效率,但使用QR/CrM實現好的PFC和THD是具挑戰性的。

開發一個LED驅動器

NCL3038x是單級反激降壓-升壓(buck-boost)轉換器,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%)。這超越了全球標準,使得這些器件適合用于任何有立法要求的地區,以符合PFC和THD要求使。圖1展示了NCL30386(帶調光)將如何用于一個典型的電路。

圖1:使用NCL30386的典型應用

該器件有效地工作在三種模式:在輸出負載超過80%時采用CrM,而在負載低于80%時使用谷底模式,在非常低的負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還集成了一個高壓(HV)啟動功能,以確保即使在非常低的負載下一致的啟動時間和保持運行。高壓引腳動態調節操作,以在運行期間達到最佳的PFC、THD和穩壓。

智能照明

調光是智能LED照明的一個重要功能,也是許多LED驅動器(包括NCL30386)支持的特性。這通常使用模擬電平設置光輸出或脈寬調制(PWM)信號來實現;NCL30386都支持。

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

圖2:NCL 30386調光曲線選項

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,而后者往往被認為是更自然的。NCL30386提供線性和二次輸出,還有一個非調光版本:NCL30388。

總結

LED照明由于其使用壽命長、能效高等優點,正迅速成為幾乎所有照明應用的基準。然而,它有嚴格的PFC和THD要求,這可能因地區而異。與其他LED驅動器不同,NCL3038x采用QR/CrM模式提供高PFC、低THD和更簡單的變壓器設計的好處,因為這些器件提供恒流和恒壓,還可提供“冷啟動”功能,并作為輔助電源運行。在一系列負載下具備領先的THD與極佳的PFC,制造商可采用單一的、通用的平臺用于廣泛的地區和市場,有效地應對這些立法要求。

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