LED 驱动器方案选型实例.docx
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LED驱动器方案选型实例
AC-DC、DC-DC、线性
LED驱动器方案选型实例
安森美半导体《AC-DC,DC-DC及线性LED驱动器方案选型实例》电子书
[前言]
随着LED在性能和成本等几乎各个方面的改进，其应用范围越来越
广，除了已经开始小型移动设备背光、汽车内部照明和尾灯等应用中
普及开来，还在加快向中大尺寸LCD背光以及通用照明市场渗透。
对于通用照明设计工程师而言，需要为其应用选择适合的LED驱动
器方案。
但LED照明应用涉及到AC-DC、DC-DC或电池等不同供
电电源，应用功率也大小有异，往往需要不同拓扑结构的驱动电源，
这就会为设计工程师带来了挑战。
此外，一些特定应用，如要求低电
流的LED应用，也需要采用更优化的LED驱动解决方案。
本电子书将重点分析AC-DC、DC-DC等不同LED驱动应用的设计
要求，介绍安森美半导体相应的各种拓扑结构的LED开关驱动器方
案。
此外，还介绍安森美半导体专门针对低电流LED应用的新颖的
恒流稳流器（CCR）方案，以及公司主要的线性LED驱动器方案。
安
森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，
针对LED照明应用提供完整的系统方案，除了LED驱动器方案，还
包括电源、通信、光传感器、MOSFET、整流器、保护、滤波器及
热管理产品等。
安森美半导体还提供数款高能效LED照明参考设计
及GreenPoint®网上设计工具，帮助设计工程师更快地选择适合的
LED驱动器方案，缩短设计周期，加快产品上市进程。
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安森美半导体《AC-DC,DC-DC及线性LED驱动器方案选型实例》电子书
目录
第一章：
低功率AC-DCLED通用照明设计挑战暨安森美半导体高能效方案.......................3
低功率LED照明应用选择驱动器须考虑的因素.................................................................3
改善低功率LED住宅照明应用能效的方案.........................................................................4
应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案....................................................................5
后续方案展望...........................................................................................................................6
小结：
.......................................................................................................................................6
第二章：
应用于LED区域照明的电源、保护及联网方案.........................................................7
LED街灯及区域照明驱动电源选择......................................................................................7
1）
2）
基于NCL30001的电流可调节恒流功率因数校正区域照明LED电源............7
基于NCP1607和NCP1397的超高能效大功率LED街灯电源方案..............8
增强LED串可靠性的保护方案.............................................................................................9
构建联网的LED街灯智能控制系统.....................................................................................9
小结：
....................................................................................................................................10
第三章：
如何为不同DC-DCLED照明应用选择适合的高能效驱动器方案？
.....................11
LEDDC-DC开关稳压器拓扑结构......................................................................................11
LEDDC-DC降压驱动器方案..............................................................................................11
LEDDC-DC升压驱动器方案..............................................................................................13
LEDDC-DC降压-升压驱动器方案....................................................................................13
GreenPoint®网上设计仿真工具加快DC-DCLED照明设计........................................14
小结：
....................................................................................................................................14
第四章：
线性LED驱动器方案概览及其典型应用...................................................................15
针对低电流LED驱动的线性CCR及应用示例................................................................15
应用于可寻址标志、建筑物装饰光等应用的线性LED驱动器.......................................17
小结：
....................................................................................................................................19
参考资料:
.......................................................................................................................................20
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安森美半导体《AC-DC,DC-DC及线性LED驱动器方案选型实例》电子书
第一章：
低功率AC-DCLED通用照明设计挑战暨安森美半导体高能效方案
近年来，照明已经成为世界各国推动节能环保所瞄准的一个重要领域。
据统计，
全球每年约有20%的电能用于照明，这些电能中又有约40%用于低效的白炽灯
照明。
而随LED在光输出性能、成本等几乎各个方面的持续改进，LED通用照
明已经成为白炽灯等传统照明的一种极引人注目的替代解决方案。
典型的LED通用照明应用包括电灯泡和荧光灯管替代、嵌灯、街灯及停车灯、
工作照明灯（台灯、橱柜内照明）、景观照明、广告牌文字电路、建筑物照明等。
LED街灯的功率较高，一般在50W至300W之间；LED建筑物及区域照明应
用的功率一般在40W到125W之间，属于中等功率范围；30W以下的可统称
作低功率LED照明应用，包括特定指向照明，如橱柜内照明、嵌灯、射灯
PAR20/30/38灯光替
代、台灯等，以及全向
照明，如重点照明、家
电、通用照明A型灯替
代、装饰性灯具及吊扇
灯等。
本文将重点探讨
30W以下功率的低功
率LED通用照明应用，
以及安森美半导体相应
的高能效方案。
图1：
常见低功率LED照明应用。
低功率LED照明应用选择驱动器须考虑的因素
LED驱动器的主要功能，就是无论输入及输出条件如何变化，都能在工作条件
范围下限制电流，其应用设计面临多种限制条件，如高能效（低损耗）、高性价比、
宽环境条件、高可靠性、灵活、符合电磁干扰（EMI）及谐波含量等方面的标准、
可改造用于已有应用及能采用传统控制方式工作等。
要为低功率LED应用选择适合的驱动器并不容易，需要顾及不同的因素。
例如，
商业和住宅市场对LED灯具在工作温度、使用时长、性能及“能源之星”等行业
标准方面的要求并不相同。
此外，灯泡替代应用也存在着独特挑战，如LED电
源及驱动器的热度限制、尺寸受限及兼容的调光技术等。
就LED通用照明适用的标准而言，主要有美国“能源之星”要求的功率因数校正
（PFC）标准以及欧盟的国际电工委员会（IEC）对总谐波失真的限制标准。
其中，“能
源之星”V1版灯具标准要求LED照明灯具具备PFC，适用于嵌灯、橱柜灯及台
灯等特定产品，但与功率电平无关。
这标准要求住宅应用的功率因数（PF）高于
0.7，而商业应用高于0.9。
这标准是自愿性标准，将于2011年9月实施。
而“能
源之星”的1.1版整体式LED灯泡标准已于2010年8月生效，要求输入功率高
于5W的灯泡功率因数高于0.7。
如前所述，为低功率LED照明应用选择适合的驱动器须考虑众多因素，这其中，
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安森美半导体《AC-DC,DC-DC及线性LED驱动器方案选型实例》电子书
有关功率因数等行业标准尤为重要。
接下来，我们以安森美半导体的相关产品为
例，探讨如何在低功率照明应用中提供高功率因数。
改善低功率LED住宅照明应用能效的方案
以住宅照明的台灯和橱柜灯等应用为例，功率一般在3W到8W之间。
这样的
低功率应用最适合采用隔离型反激拓扑结构。
但传统离线反激电源转换器在开关
稳压器前面采用全波整流桥及大电容，这种配置的功率利用率或输入线路波形的
PF较低，仅在0.5至0.6的范围。
这就要引入PFC。
如可在反激转换器前采用NCP1607B这样的有源PFC，能提
供高于0.98的PF，但增加了元件数量及复杂性，且最适合的功率远高于本应用
要求。
无源PFC方案众多，可改善PF，但通常都使用较多额外元件，增加成本
及电路板占用空间，并降低可靠性。
图2：
改善了功率因数的NCP1014应用电路图。
实际上，高功率因数通常需要正弦线路电流，且要求线路电流及电流之间的相位
差极小。
修改传统设计的第一步就是在开关段前获得极低电容，从而支持更贴近
正弦波形的输入电流。
这使整流电压跟随线路电压，产生更合意的正弦输入电流，
反激转换器的输入电压就以线路频率的2倍跟随整流正弦电压波形。
如果输入电
流保持在相同波形，功率因数就高。
安森美半导体的NCP1014自供电
单片开关稳压器采用固定频率工
作，电流不能上升到高于某个特定
点；这个点由输入电压及开关周期
或导电时间结束前的初级电感来确
定。
由于导电时间的限制，输入电
流将跟随输入电压的波形，从而提
供更高的功率因数。
图3：
基于NCP1014的演示板在20℃环境温度及8.0W输出功率下提供更高
功率因数。
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应对更高功率因数及TRIAC调光挑战的方案
要针对低功率LED照明应用提供高于0.9的功率因数及低总谐波失真，以适合
商业应用要求，就有必要使用新的拓扑结构。
在这种情况下，传统的两段式拓扑
结构（PFC升压+反激转换）就无法满足要求了。
相应的，我们可以使用基于安森
美半导体NCL30000临界导电模式（CrM）反激控制器的单段式CrM反激拓扑结
构。
单段式拓扑结构省下专用的PFC升压段，帮助减少元器件数量，降低系统
总成本，并提供高功率因数。
图4显示的是安森美半导体基于NCL30000的单
段式高功率因数反激拓扑结构的简化功能框图。
图4：
基于NCL30000的单段CrM反激LED驱动器GreenPoint®参考设计框图。
值得一提的是，与前述针对住宅应用使用开关稳压器（内置FET等旁路元件）的方
案不同，我们在针对商业照明的应用中使用的是宽动态范围的精确导通时间控制
器方案NCL30000。
设计中采用控制器（外置FET等旁路元件）方案的原因包括易
于在能效和成本之间
实现折衷、能以单颗控
制器支持宽功率范围
（5到30W）、及便于优
化散热及灵活布线等。
基于NCL3000构建的
90到305VacEFD25
演示板（Vout=12LED,
37Vdc）测试显示，功
率因数远高于0.9，部
分输入电压条件下甚
至高于0.95（见图5），
能效极高。
图5：
基于NCL30000的演示板PF及THD测试结果。
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安森美半导体《AC-DC,DC-DC及线性LED驱动器方案选型实例》电子书
此外，TRIAC调光器应用广泛，故LED驱动方案的一项挑战就是兼容TRIAC
调光这样的已有调光技术，因为TRIAC调光器设计针对的是电阻型负载的白炽
灯泡（功率因数约为1）。
有利的是，基于NCL30000的设计提供极高的功率因数，
轻松符合商业应用的功率因数要求。
且用示波器截取的波形显示，优化设计的
NCL30000单段式CrM反激电源的基本电流波形与输入电压波形保持同相，输
入电流波形看上去象是电阻型负载的波形，能够兼容TRIAC调光。
为了支持客户在低功率LED商业照明应用中应用NCL30000PFC控制器，安森
美半导体提供设计目标功率低于18W、旨在以350mA电流驱动4到15颗LED
的三款NCL30000评估演示电路板，分别是NCL30000LED1GEVB（输入电压
90至135Vac，TRIAC可调光）、NCL30000LED2GEVB（输入电压180至265
Vac，TRIAC可调光）及NCL30000LED3GEVB（输入电压90至305Vac）。
当然，
客户可能需要支持更大功率及更大电流的选择。
这时候就需要优化变压器及输出
整流器和电容等关键元器件，并将输出绕组由串联改为并联方式。
而且有利的是，
NCL30000作为控制器方案，支持宽功率范围。
后续方案展望
LED在通用照明中替代白炽灯泡的应用前景极为广阔，但仍有不少挑战有待解
决。
A型灯、E26、E27等传统白炽灯包含不同功率等级，如40W白炽灯一般
提供约450流明（lm）的光输出。
如今一流暖白光LED的光效约为100lm/W，考
虑到热效应及光电转换效率问题，要提供450lm光输出，大约需要5到7颗LED，
而将这些LED装配在灯泡内存在着空间及性能方面的挑战。
有利的是，安森美
半导体正在开发相应的LED驱动器方案。
此外，在上述方案中，NCL30000用于隔离型高功率因数拓扑结构。
实际上，这
器件也可配置为非隔离型降压或降压-升压拓扑结构。
小结：
为低功率LED通用照明应用选择适合的驱动器方案需要顾及跟应用相关的多种
因素，如空间、能效、环境条件及兼容的调光技术等。
本文以安森美半导体的
NCP1014单片开关稳压器及NCL30000功率因数校正TRIAC可调光LED驱动
器为例，重点探讨如何应对低功率住宅及商业LED照明应用针对功率因数要求
等方面的挑战，分享了这些方案的相关能效测试结果，显示它们非常适合用于设
计满足“能源之星”等相关规范标准功率因数要求的低功率照明应用。
这两款产品
仅是安森美半导体宽范围LED驱动器方案的少数示例，客户利用这些高能效、
高性能LED驱动器方案，辅以安森美半导体提供的GreenPoint®网上设计仿真
工具，能够缩短设计周期，加快产品上市。
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第二章：
安森美半导体应用于LED区域照明的电源、保护及联网方案
高压钠灯（HPS）等高强度气体放电灯（HID）具有光强度高、寿命长等特点，广泛应用于诸
如街道照明、停车场及公园等公共场合的区域照明应用。
另一方面，高亮度白光发光二
极管（LED）在性能和成本等方面持续改进，非常适合区域照明应用，并且提供一些HID
所不具备的优势，如方向性更好、色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便
地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度；此外，LED的可靠性也更佳，利于降低维
护成本及总体拥有成本。
当然，要在街道和区域照明应用中采用LED来替代HID并产生同等的光输出，就要求
采用大阵列的LED。
要驱动这些大阵列的LED，设计人员可以选择不同的方案。
另外，
不同LED串的亮度需要保持一致，如果某个LED发生开路故障，可能造成整串LED
关闭的后果，故需要顾及为LED串提供保护的方案。
此外，要构建联网的智能化LED
街灯控制系统，也需要采用适合的通信及线路驱动方案。
下文将探讨这些问题及相应的
安森美半导体解决方案。
LED街灯及区域照明驱动电源选择
区域照明应用的功率一般高于40W。
根据应用条件或要求的不同，可以采用不同的电
源方案来驱动LED阵列。
安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能
效硅方案供应商，提供用于LED街灯及区域照明的不同电源方案，满足客户不同需求。
1）基于NCL30001的电流可调节恒流功率因数校正区域照明LED电源
有些区域照明应用场合要求提供带输入功率因数校正的隔离型稳压输出电压。
这些应用
通常采用两段式的电源转换架构，其中的升压功率因数校正（PFC）将交流输入线路电压
转换及预稳压为直流400V电压，然后提供电压给可以是任何适当拓扑结构的常规直流
-直流（DC-DC）转换器（功率不超过150W的应用中通常是反激转换器）。
我们能够采用一种更简单的方法来改进这种传统的两段式转换架构，使其成为一种集成
功率因数校正和主转换器（即DC-DC转换器）的单段式架构。
这种单段式架构提供具备
显著的应用优势，因为无需使用大尺寸的升压电感、高压MOSFET、功率整流器和大
电容。
当然，这种单段式架构会带来某些方面的一些性能折衷，但却是一种高能效及高
性价比的方案，适合于负载相对恒定的应用，如LED区域照明。
NCL30001就是一种单段式控制器，集成了功率因数校正和隔离型降压DC-DC转换电
路，帮助减少元件数量、降低系统成本，支持更高的LED电源总体能效。
NCL30001
提供稳流恒流来直接驱动LED，省下了LED光条中集成的线性或DC-DC转换（参见图
1）。
安森美半导体的设计笔记AND8427中描述了一种基于NCL30001单段连续电流模
式（CCM）PFC控制器和NCS1002次级端恒压恒流（CVCC）控制器的LED电源，适合街
灯等区域照明应用。
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图1：
基于NCL30001的LED驱动电源方案适合40到125W区域照明应用。
测试表明，在90至264Vac输入电压条件下，基于NCL30001的LED电源提供高于
85%的高能效，功率因数也高于0.9，并提供短路和过压保护。
设计人员略微调整次级
端控制电路中的电阻，就可以调节稳流电流及稳压电压，从而支持终端产品的具体应用
要求。
另值一提的是，虽然这种电源是设计旨在提供紧密稳流的固定电流，但也可以工
作在恒定电压模式，因为其电流和电压根据NCS1002中集成的紧密稳压的2.5V参考
电压来稳流和稳压。
2）基于NCP1607和NCP1397的超高能效大功率LED街灯电源方案
近年来，业界对超高能效的LED照明拓扑结构兴趣日浓，期望在功率电平相对较低（<50
W）时提供高于90%的能效，这个能效目标甚至比“能源之星”2.0版外部电源能效要求（功
率不超过49W时能效高于87%）更高。
要达到这样高的能效，需要采用新的拓扑结构，
如从反激拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构，从而充分发挥零电压开关（ZVS）的优势。
有
利的是，安森美半导体早已着手开发能用于LED驱动电源的高能效半桥解决方案，如
NCP1396及其升级版NCP1397高性能谐振模式控制器。
NCP1397内置高端和低端驱
动器，支持可调节及精确的最低频率，提供极高能效，并具备多种故障保护特性。
基于
NCP1607PFC控制器和NCP1397双电感加单电容（LLC）半桥谐振控制器的LED电源
方案（见图2）非常适合功率在50到300W范围的高能效LED街道照明应用。
图2：
基于NCP1607和NCP1397的街道照明高能效LED电源方案。
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除了这些方案，设计人员还可以根据设计需求选择安森美半导体的其它LED电源方案，
如NCP1607PFC控制器+NCP1377准谐振控制器，或NCP1607+NCP1392/3等。
增强LED
升级会员 