基于交/直流电源的LED驱动电路设计实例

根据具体应用的不同，LED可能会采用不同的电源来供电，如交流线路、太阳能板、12 V汽车电池
电池

　　电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反映将化学能或者物理能转化为电能。电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负两极浸泡再能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。 [全文]

、直流电源或低压交流系统，甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。

　　一、采用交流离线电源为LED供电

　　在采用交流离线电源为LED供电的应用中，涉及到众多不同的应用场合，如电子镇流器、荧光灯替代、交通信号灯、LED灯泡、街道和停车照明、建筑物照明、障碍灯和标志等。在这些从交流主电源驱动大功率LED的应用中，有两种常见的电源转换技术，即在需要电流隔离(galvanic isolation)时使用反激转换器，或在不需要隔离时使用较为简单的降压拓扑结构。

　　在反激转换器方面，根据输出功率的不同，可以采用安森美半导体的不同反激转换器。例如，安森美半导体的NCP1013适合于功率高达5 W(电流为350 mA、700 mA或1 A)的紧凑型设计应用，NCP1014/1028可以提供高达8 W的连续输出功率，而NCP1351则适合于大于15 W的较大功率通用应用。

　　以NCP1014/1028为例，这是安森美半导体推出的离线式PWM开关
开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

稳压器，具有集成的700 V高压MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc变压器
变压器
　　变压器（Transformer）是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。它由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 [全文]

设计及700 mA/17 Vdc配置，输入电压范围为90至265 Vac，具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(EMI)信号以及内置热关闭保护等特性，适合于LED镇流器、建筑物照明、显示器背光
背光
　　屏幕的背景光。常被用于LCD显示上，其光源可能是白炽灯泡、电光面板(ELP)、发光二极管(LED)、冷阴极管(CCFL)等。电光面板提供整个表面均匀的光，而其他的背光模组则使用散光器从不均匀的光源中来提供均匀的光线。 　　背光可以是任何一种颜色，单色液晶通常有黄、绿、蓝、白等背光。而彩色显示采用白色白光，因其涵盖最多色光。 [全文]

、标志和通道照明及作业灯等应用。NCP1014/1028的应用设计示意图如下面的图1所示。值得一提的是，这设计具有开路输出保护功能，会在开路时将输出钳位至24 V电压。在这设计中，电流和开路电压能够通过简单地改变电阻
电阻
　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

/齐纳二极管
二极管
　　二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 [全文]

组合来调整。值得一提的是，如果针对230 Vac交流线路使用另一种可选变压器，则NCP1014能够提供高达19 W的功率，NCP1028能够提供高达25 W的功率。

　　图1：安森美半导体离线式第二代LED驱动器NCP1014/1028的应用示意图

　　在照明应用中，如果输出功率要求高于25 W，LED驱动器则面临着功率因数校正(PFC)的问题。例如，欧盟的国际电工委员会(IEC)针对照明(功率大于25 W)的要求中具有针对总谐波失真(THD)的规定。而在美国，能源部“能源之星”项目固态照明标准中对PFC带有强制性要求(而无论是何种功率等级)，即针对住宅应用部分要求功率因数高于0.7，而针对商业应用部分要求功率因数高于0.9。这标准属于自愿遵守的标准，并非强制性要求，但有些应用可能需要良好的功率因数。例如，公营事业机构将推动LED的大规模应用，应用在公用设施级别的LED可望拥有较高功率因数；而且公营事业机构拥有或提供LED街灯服务时，LED是否具有较高功率因数(通常大于0.95)取决于公营事业机构的意愿，如果他们愿意，则相应的LED驱动解决方案必须满足这方面的要求。

　　图2：需要PFC的LED驱动应用中不同架构对比

　　在这类可能需要采用PFC控制器的应用中，传统的解决方案是PFC控制器+PWM控制器的两段式方案。这种方案支持模块化，且认证简单，但在总体能效方面会有折衷，如假设交流-直流(AC-DC)段的能效为87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效为85%至90%，则总能效仅为74%至81%。随着LED技术的持续改进，这种架构预计将转化为更加优化、更高能效的方案。根据要求的不同，有多种可供选择的方案，如：PFC+非隔离降压、PFC+非隔离反激或半桥LLC、NCP1651/NCP1652单段式PFC方案。

　　另一方面，如上所述，在不需要隔离的应用中，可以采用较为简单的降压拓扑结构，这种结构所使用的电感比变压器小得多，而且只需要很少的元件来实现这种解决方案。这种架构采用的是峰值电流控制(PCC)模式，工作在深度连续导电模式(CCM)。这种架构具有多种优势，如可以消除使用大电解输出电容、具有“良好”稳流的简单控制原理，以及能够充分利用安森美半导体的动态自供电(DSS)技术能力来直接从交流线路为驱动器供电。图3显示的是安森美半导体NCP1216 PWM电流模式控制器的应用设计示意图。

　　图3：采用峰值电流控制的NCP1216非隔离型离线式LED驱动应用

　它充分利用高压工艺技术的优势，从交流主电源直接为控制器供电，进一步简化了电路。这设计适合120 Vac条件，若要用于230 Vac条件，则需要变更少许元件，如功率FET和电容。由于这是一种非隔离型AC-DC设计，所以存在高压。而且这是一项浮动设计，IC和LED并非对地参考。在对器件进行供电之前，LED必须连接至电路板。

　　对于这类降压控制方式而言，当控制的LED数量减少时，它的一项局限就会出现，因为这时占空比会变得极窄。而且开关控制器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路。在这种情况下，必须降低开关频率来适应正常操作，并通过半波整流输入电路将电压保持在最低值。在这种方法中，基本架构能够通过元件修改来轻易扩展，从而也能驱动更长的LED串。

　　二、采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电

　　有一系列高亮度LED应用工作在8至40 VDC范围的电源，这些电源包括铅酸电池、12-36 VDC适配器
适配器

　　适配器通俗一点说就是一种起中间连接作用的配件，使用这种配件的作用在于简化主机的硬件设计，增加主机的通用性和灵活性。 [全文]

、太阳能电池以及低压的12 和24 VAC交流系统。这类的照明应用众多，如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明，以及陈列柜照明等。

　　表1：宽输入范围的DC-DC LED应用

　　即使目标是采用恒定电流驱动LED，首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化。LED的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定。凭借这些信息，就可以选择恰当的线性或开关电源
开关电源

　　开关电源1是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间 [全文]

拓扑结构，如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器，它集成1.5 A开关，可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40 V，具有235 mV的低反馈电压，工作频率可调节，最高250 kHz。其它特性包括：能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。

　　图4：安森美半导体NCP3065在LED恒流降压控制应用中的示意图

　　为LED提供保护

　　如前所述，LED是一种使用寿命极长的光源
光源

　　光源产品具有LED显示、体积小、重量轻、易携带、电池供电、性能价格比高等特点，直观快速，是一种使用极其简单方便的测试工具，产品经过防震防潮处理，可以在野外恶劣环境下长时间工作。 [全文]

(可长达5万小时)。除了需要针对具体的LED应用选择适合的LED驱动解决方案，还需要为LED提供适当的保护，因为偶尔LED也会失效。其原因多种多样，可能是因为LED早期失效，也可能是因为局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效。必须对这些可能的失效提供预防措施，特别是因为某些应用属于关键应用(故障停机成本高)，或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等)，或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等。

　　在这方面，可以采用安森美半导体的NUD4700 LED分流保护解决方案。图5是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。

　　图5：安森美半导体NUD4700 LED开路分流保护器的应用示意图

　　在LED正常工作时，泄漏电流仅为近100 μA；而在遭遇瞬态或浪涌条件时，LED就会开路，这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活，所带来的压降仅为1.0 V，将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装，设计用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V)，如果散热处理恰当，也支持大于1 A电流的操作。

　　总结

　　相较于白炽灯等传统光源，LED具有能效高、寿命长、指向性好等众多优势，越来越受业界青睐用于通用照明市场。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，需要从系统的角度去考虑，如光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等。