安森美半导体中高功率照明LED驱动器方案
led的诸多优点已经使其逐步取代白炽灯、荧光灯等传统光源，在小功率应用上越来越多地出现在我们日常工作生活中，而在我们传统定义的20至400瓦的中高功率照明范围内，荧光灯、高强度气体放电灯还是主流。但随着大功率led产品的不断推陈出新，模块化的led灯条、大阵列led等产品的出现，公路、体育馆、户外大型设施等需要大功率照明的应用场景中也越来越多出现led产品的身影。
led照明电路相对设计简单、能集成控制、可方便实现调光、能有效降低电力消耗，所以在强调智能、绿色照明的今天，中高功率led产品逐步替代高强度气体放电灯（hid）等传统光源已经是大势所趋。但我们也看到模块化的led灯条和阵列对电源驱动的要求不尽相同，如何为中高功率led照明产品提供可靠、高效、灵活的驱动电源方案是设计人员常面临的挑战。安森美半导体积极推动高能效创新，充分利用在电源领域的丰富经验，提供应用于led照明不同的领域。而针对中大功率led照明应用的不同需求，安森美半导体提供功率因数校正（pfc）控制器、准谐振及固定频率的反激控制器和开关稳压器、集成mos的降压控制器、半桥驱动及llc控制器、次级端控制器、集成pfc及pwm的组合控制器等多种控制器及其方案等，以满足不同电路拓扑设计的不同需求。
单段式功率因数校正（pfc）方案
功率因数校正（pfc）可有效改善高谐波分量给电源线、断路开关、电力设施带来的压力。pfc控制器一般可以分为单段式和多段式（常见两段式）两种结构。单段式（如图1所示）可直接电流驱动，只需单个开关及磁性元件，缺点则是100/120hz纹波，mosfet应力更大，占空比更大，功率限制在100-150w。
图1.单段式pfc结构示意图
典型的单段式pfc led驱动方案有如安森美半导体的ncl30000。这器件使用临界导电模式（crm）反激架构，以单段式拓扑结构提供高功率因数设计。安森美半导体基于ncl30000构建的25 w高功率因数单段式led驱动器参考设计接受90-305vac宽输入电压范围，能效高于87%，输入电流总谐波失真（thd）小于15%，功率因数（pf）大于0.97，输出功率25w（vf=36vdc），led电流700ma±4%，最大led电压44vdc。安森美半导体还推出了单段式连续电流模式（ccm） pfc led驱动器ncl30001，可以配置为恒流驱动器或固定输出电压驱动器，适合40w到150w led照明设计。
两段式pfc + dc-dc转换方案
除了上述单段式方案，设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式（pfc段+dc-dc转换段）方案（如图2所示）。前段pfc的功能一方面实现输入电流整形以减小输入电流谐波，另一方面将输入交流电压转换为稳定的直流电压（变化范围一般为380v-400v），后段的dc-dc转换器实现隔离和变换，将稳定直流电压变换为所需要的电压，通常可以用反激、llc或者降压实现，其优点是易于扩展功率和尺寸，易于提供次级端偏置电源，但相应会带来成本上的提升。
图2.两段式pfc结构示意图
具体而言，两段式方案中的pfc段可选用的控制器包括ncp1605、ncp1611/ ncp1612/ ncp1615、ncp1631、mc33262/ncp1607/ncp1608、ncp1653/ ncp1654、ncp1652a/ ncl30001等等。
其中，ncp1605是增强型高压、高能效待机模式功率因数控制器，工作在固定频率非连续导电模式（dcm）和/或临界导电模式（crm）。ncp1605能够作为pfc主控端工作，确保电源的第二段仅在安全条件下启动。它集成跳周期功能，将待机损耗降到最低。
ncp1631则是安森美半导体推出的一款单芯片2相交错式pfc控制器，可以替代2颗ncp1601，驱动2个pfc支路，提供接近1的高功率因数。
采用传统的crm/bcm控制时，负载减少时开关频率上升，轻载时控制器可能进入“突发的调频模式”，产生噪声；采用电流控制频率反走（ccff）控制时，负载减小时开关频率减小，降低噪声，轻载时控制器频率较低，可在高于可听频带的频率钳位，极轻载时采用跳周期模式工作，可以关闭以提升更好的thd，谷底导通进一步提升能效，减小电磁干扰（emi）（如图3所示）。ncp1611/ncp1612基于创新的ccff架构，在pfc电感电流超过设定值时，电路通常工作在临界导电模式（crm），而当电流低于预设值时，将开关频率线性降低至约20 khz，此时电流为零。ncp1615同样基于ccff架构，当电流在预设水平以下时，ncp1615芯片的控制频率会线性衰减到26khz。
图3. 电流控制频率反走（ccff）架构原理说明
对于两段式方案而言，在高压dc-dc次级段，单开关反激架构（图4所示）能效高，设计简单，但功率设计通常小于100w。安森美半导体作为业内领先的固定频率及准谐振（qr）控制方案供应商，提供的准谐振固定频率反激控制芯片具备高压启动、qr谷底锁定、强固的故障保护、宽产品系列（控制器最低6个引脚）等特点。从业内率先推出第一代高压准谐振反激控制芯片ncp1207/ncp1308，到第二代提供更多保护功能的ncp1337/ncp1338，再到第三代轻载能效大幅提升的ncp1380，直到最新的第四代改善空载能耗的ncp1339，安森美半导体一直都在不断努力，开发更多满足客户更宽需求的芯片产品。
图4.高压dc-dc次级端反激拓扑示意图
而相对于其他谐振拓扑，llc串联谐振转换器（图5所示）则能够在相对宽的输入电压及输出负责范围下工作；所需元器件数量则更少，谐振储能元件能够集成到单个变压器中；初级端开关在所有额定负载条件下能实现零电压开关（zvs）；次级端二极管能够实现零电流开关（zcs），没有反向恢复损耗，所以作为一种高性价比、高能效及低emi方案，常用于高输出电压的应用中。
ncp1398作为第五代高性能llc串联谐振控制器，工作频率可以从50khz高至750khz，可调节最小开关频率精度达到±3%，可调节死区时间，带外部可调节软启动，精密及高阻抗输入欠压保护，用于过温或过压等严重故障条件下闩锁输入脚，基于定时器的可自动恢复过流保护，闩锁输出短路保护，on/off控制关闭输入脚，跳周期模式，带可调节迟滞，vcc工作电压达20v，共集电极光耦连接，简化oring控制，内置过温关闭，600v半桥驱动器，带1a/0.5a汲/源驱动能力，ncp1398b还提供反馈环路开路保护。
图5.高压dc-dc次级端llc串联谐振示意图
组合控制器方案
ncl30051是一款pfc及谐振半桥组合控制器，这器件集成了一个crmpfc控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600 v驱动器，针对离线电源应用进行了优化，采用soic16封装，具备了所有实现高能效、小外形设计所需的特性。相比传统途径的crm pfc+llc通过改变llc频率来控制功率，ncl30051则是改变pfc大电容电压来控制功率，局限在于大电容电压的动态范围，优点则是简化了固定电压led驱动器设计。
总结
led照明正快速演变，新的驱动方案需要能够配合市场上最新的led应用；同时为提升能效及降低系统总成本，拓扑结构的选择也在演变。为满足中高功率led照明驱动的需求，安森美半导体提供了阵容广博、相辅相成的方案，包括单段式pfc方案，以及pfc+dc-dc转换的两段式方案，满足不同的中大功率led照明应用的需求。
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图2.两段式pfc结构示意图
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