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当今LED驱动器所面临的困难

2018-12-20来源: 互联网作者: 安森美半导体照明细分市场营销经理James Lee 关键字:LED

LED技术出现之前,大多数照明应用都是根据使用的灯泡类型和耗电量来定义的,但LED改变了这一点。今天,同样的基本固态技术适用于低、中、高功率照明应用,提供更高的能效和更好的亮度。

 

在高功率细分市场,如荧光灯管、路灯和泛光照明的标准嵌入式灯具,以及其他形式的户外照明,节省的电力可能是巨大的。当考虑到连接方便性和输出电平可调时,LED照明的业务案例就很难被取代了。由于高能效,大多数LED照明应用可以小于100 W的功率级解决,这是非常重要的,因为它直接影响到所需的电源转换器、LED控制器和LED驱动器拓扑结构。

 

驱动器要求

 

从根本上说,除了白炽灯泡(直接采用交流电源运行)以外,大多数灯都需要某种电源转换。虽然LED照明采用正极或整流电源运行,但其他大多数照明技术都采用高压/高频交流电源运行。因此通常有能量损失,能效低,但是对于同样的亮度,LED消耗的功率要低得多,因此能够采用低压AC-DC电源。需要功率小于100 W的灯通常采用单级反激拓扑。从交流转换到直流,同时提供恒定且稳定的电源,以尽量减少闪烁,是从现有的照明转向LED的主要挑战。

 

期望整个照明电路至少在短时间内切换到直流是不合理的,因此有必要为每个灯泡、灯具或嵌入式灯具开发转换和驱动级。最方便的方法,至少对用户来说,是将这些器件集成到灯具中,或完美的集成到灯泡本身。

 

对于低于100 W的应用,单级变换器是最常见的拓扑结构(功率水平超过100 W通常需要多级转换器)。一个单级转换器可涵盖广泛的应用,甚至个别灯泡或打火机所需的极低功率。

 

在所有用例中常见的是需要提供功率因数校正(PFC)和低总谐波失真(THD);这些因素现在都由政府立法,但实际水平可能因地区而异。取决于应用消耗的功率,PFC和THD是强制性的,许多制造商正瞄准替代方案,例如LED正在取代紧凑型荧光灯(CFL)。这在现有的物理空间方面存在重大挑战,因为所有的AC-DC转换和LED控制器/驱动器功能都需要集成到通常只由灯泡本身占用的空间中。

 

电源转换选择

 

由于这些空间限制和立法要求,LED内部功率转换的首选拓扑是采用初级端调节(PSR)的单级反激转换器。这可通过使用比次级端调节拓扑更少的器件和更小的电容器来实现,半导体制造商现在提供一系列的器件来满足这一需求。

 

PSR的一个优点是它不需要任何次级端反馈,这简化了变压器的设计,无需光电隔离。所采用的调节类型对于实现PFC和THD目标也很重要。为了满足这些要求,制造商正在转向非连续导通模式(DCM)。在这种模式下,存储在变压器中的电荷在开关晶体管导通前完全耗尽,因此输出二极管的电压也达到零。这将导致没有电流流过初级端或次级端的一段时间,即所谓的死区时间,因而这种反激拓扑被命名为非连续。它的优点是整个二极管没有损耗,在输出功率较低的应用中,它可以产生一个相对较小的变压器。

 

但是,它容易受到纹波电流的影响,会导致产生损耗。谷开关是DCM的延伸,当输出电压的振铃处于最低值时使晶体管导通。这发生在死区时间之初的第一次振荡,此时将重新导通晶体管和重新启动功率传输周期。这要求控制器能够检测输出电压上的振铃,并在检测到处于谷底时切换。这通常还需要能够根据输出功率需求改变开关时间;提前导通以满足高需求,或者在需求低的情况下晚一点切换。这种特性也被称为电压折返,改变开关频率可以降低电磁干扰,同时,谷开关也会由于可变的开关时间而导致更高的输出纹波。

 

DCM和谷开关的一个流行的替代方案是准谐振(QR)模式,也称为临界导通模式(CRM)。在这种模式下,当控制器检测到输出电压上的第一次振荡的底部时,晶体管导通,提供较低的开关损耗和所有模式中最高的效率,但使用QR/CrM实现好的PFC和THD是具挑战性的。

 

开发一个LED驱动器

 

NCL3038x是单级反激降压-升压(buck-boost)转换器,在QR/CrM模式下工作,为LED或LED串提供恒流和恒压。然而,与其他QR/CrM控制器不同,NCL3038x提供极佳的PFC(>0.95)和非常低的THD(<10%)。这超越了全球标准,使得这些器件适合用于任何有立法要求的地区,以符合PFC和THD要求使。图1展示了NCL30386(带调光)将如何用于一个典型的电路。

 

图1:使用NCL30386的典型应用

 

该器件有效地工作在三种模式:在输出负载超过80%时采用CrM,而在负载低于80%时使用谷底模式,在非常低的负载下可以采用频率反走。这种灵活性有助于在所有条件下提供高能效和极佳的THD。NCL3038x还集成了一个高压(HV)启动功能,以确保即使在非常低的负载下一致的启动时间和保持运行。高压引脚动态调节操作,以在运行期间达到最佳的PFC、THD和稳压。

 

智能照明

 

调光是智能LED照明的一个重要功能,也是许多LED驱动器(包括NCL30386)支持的特性。这通常使用模拟电平设置光输出或脉宽调制(PWM)信号来实现;NCL30386都支持。

 

通常,基于PWM的调光特性可能会由于PWM不工作而导致输出电气噪声和闪烁,但使用NCL30386,输出总是转换为模拟电平,无论通过模拟输入还是PWM信号调光。NCL30386使用PWM可支持0%到100%的调光级别,使用模拟输入可支持0.5%到100%的调光级别。图2显示了NCL30386的线性和二次输出曲线。

 

图2:NCL 30386调光曲线选项

 

输出的形状也很重要,通常要么是线性的,要么是二次曲线。前者提供确定性和定期的照明间隔水平,而后者往往被认为是更自然的。NCL30386提供线性和二次输出,还有一个非调光版本:NCL30388。


总结

LED照明由于其使用寿命长、能效高等优点,正迅速成为几乎所有照明应用的基准。然而,它有严格的PFC和THD要求,这可能因地区而异。与其他LED驱动器不同,NCL3038x采用QR/CrM模式提供高PFC、低THD和更简单的变压器设计的好处,因为这些器件提供恒流和恒压,还可提供“冷启动”功能,并作为辅助电源运行。在一系列负载下具备领先的THD与极佳的PFC,制造商可采用单一的、通用的平台用于广泛的地区和市场,有效地应对这些立法要求。

 


关键字:LED

编辑:muyan 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2018/ic-news122012708.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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