摘?要:基于NCP1014控制器的离线隔离8W恒流LED驱动器,支持能源之星固态照明光源标准住宅功率因数要求。此类一些典型的产品包含便携式台灯、橱柜灯和室外走廊灯。
关键词:8WLED驱动器;PFC;NCP1014控制;模拟调光
0?引言
目前许多半导体制造商推出的离线式LED照明电源控制器IC,大多都适用于隔离反激式电路拓扑。对于这类电源拓扑结构,通常的设计方案是在反激式Dc-DC转换器前端采用常规的桥式整流大容量电容平滑(滤波)电路来实现高压AC-DC转换。这种解决方案的致命缺点是线路功率因数低,一般仅为0.5~0.6,达不到能源之星固态照明(SSL)标准对5W以上住宅LED照明电源功率因数≧0.7的规定。
用NCP1014作控制器的离线低功率LED驱动电源,利用在AC线路半周期内的系统反馈输入电平保持基本不变,在桥式整流器输出消除了平滑电容器,不附加任何专门电路,则可以获得较高的功率因数,满足能源之星SSL标准对功率因数的要求。
1?基于NCP1014的离线8W反激式LED驱动电路
用NCP1014作控制器带功率因数校正(PFC)的8W隔离反激式LED驱动电源电路如图1所示。
NCP1014是安森美公司生产的一种开关调整器,采用4引脚SOT?223封装,内置PWM控制器和一个700V的功率MOSFET。图1中的NCP1014(U1)开关频率固定在100kHz,MOSFET的额定电流ID是450mA。NCP1014内置动态自供电(DSS)电路,无需外接启动电路(或启动元件)可以施加DC高压直接启动。
NCP1014引脚1是IC低压电源端,引脚2是反馈输入端,引脚3是MOSFET漏极端,引脚4是接地端。
LED照明电源的AC输入电压为90~265Vac,输入功率为10.6W,输出功率为8W,效率约为75%,最大输出电压(开路电压)是22V,输出电流为630mA。
驱动电路的负载为一个Gree(美国公司)XLAMPMC?E,内装4个串联在一起的表面贴装LED,每个LED的额定电流是700mA(正常工作电流是630mA)。驱动电路也可以驱动1~8个GreeXLAMP?XR?E/XP?E,LuxeonTMRebe,lSeoul半导体Z?POWER?或者OSRAM。
在图1中,R1为可熔电阻,C1,L1和C2为EMI滤波器,D1~D4为桥式整流器。U1,变压器T1,D7,C8/C9,Rsense,Q1,U2等组成DC/DC反激式转换器。连接在T1初级绕组T1A两端的R2,C3和D5,组成RCD钳位电流。T1C,D6,C4,R3和C5组成U1的偏置电路。D7,C8/C9为输出整流滤波电路,R10和C10提供高频滤波和放电通路。Rsense(R6,R7和R8)为输出电流传感电阻。Rsense,Q1,U2,C6等形成反馈环路。D8限制输出电压。Q2,R12~R15和D9组成模拟调光电路,调节R13,可以改变LED亮度。C7是T1初、次级之间的!Y?电容。
电路不增加任何元件,可以实现功率因数校正(PFC)。与传统电路不同的是,图1电路中的桥式整流器输出端,并未连接一个平滑电容器(容量一般为10~47?F)。因此,反激式变换器的DC输入高压,是频率为线路频率2倍的正弦半波电压。因为整流的AC电压未经大容量电容器充、放电平滑,整流二极管的导通角接近180#,AC输入电流大体仍为正弦波形。能量传送到负载,将跟随电压与电流乘积,呈现正弦平方形状(sine?squaredshape)。负载上的纹波也为AC线路频率的2倍,这与!填谷式无源PFC电路?很相似。在一个AC线路半周期内,借助于U1引脚FB上47?F的大电容C6,使反馈环路响应时间变缓,保持反馈输入电平基本不变,则可以实现较高的功率因数。
图2示出的是线路功率因数与AC输入电压的关系。由该图可知,在输入电压范围为90~140Vac时,功率因数高于0.8;在220Vac时的功率因数不低于0.7,符合能源之星SSL标准要求。
AC输入电流谐波含量符合IFC61000?3?2标准C类限制要求。表1列出了3次和5次谐波实测值及其与C类限制值比较。
2?主要元件选择
2.1?变压器T1
LED驱动电路输出功率P0=8W,效率?=75%,反激变换器最低输入峰值电压Vin(pk)=90?2=126V,峰值开关电流Ipk为:
Ipk=4 P0? Vin(PK)=4?80.75?126=0.339A
T1初级电感值LP为:
LP=500Vin(PK)IPK fsw=500?1260.339?100=1858?H
T1选用EF16磁心,AC=0.2cm2,最大磁通密度Bmax=3kG,T1初级T1A匝数NP为:
NP=0.1LPIPKACBmax=0.1?1858?0.3390.2?3=105T??
变换器最高输入电压是265V?2=374V。U1中MOSFET的额定电压是700V,降额系数选取0.8,MOSFET最大允许电压是700V?0.8=560V,剩余电压为560V-374V=186V,再扣除10V的尖峰电压,初级绕组上的最大电压是186V-10V=176V。
输出电压被限制在22V,加上一个50%的边际,输出最大电压为22V?(1+50%)=33V。次级绕组T1B匝数NS为:
NS=NP(VS/VP)=105?(33/176)=20T??
NCP1014的最小偏置电压Vb=8.1V,LED最小电压设计在12.5V,偏置绕组T1C匝数Nb为:Nb=Ns(8.1/12.5)=20?(8.1/12.5)%13T??
8W的反激式变压器选用EF16磁心(3C90材料),电气结构图如图3所示。变压器采用8引脚垂直安装骨架,引脚排列底视图和侧视图如图4所示。变压器初级电感量为1.8mH(&5%),开关频率是100kHz,次级输出是24Vac。
2.2?EMI滤波器元件选择
C1,C2和L1滤波器频率约为开关频率的1/10,以C1=C2=100nF作为出发点,L1的电感值L为:
L=(1/2 0.1fsw)2C1=(1/2 ?0.1?100)2100=2.5mH
L1选择2.7mH的标准电感值。
为在传导发射上提供一个裕量,C2增加到220nF。按照C1=100nF,C2=220nF和L1=2.7mH选取,传导发射EMI满足EN55022B类限制要求。
2.3?变压器初级钳位元件选择
D5,C3和R2用于钳位由于T1漏感引起的尖峰电压。最大输入电压是265V?2=374V,22V的最大输出反射到初级的电压是22V?(NP/NS)=22V?(105/20)=115.5V,二者相加为489.5V。考虑到约10V的感性电压尖峰,总电压约为500V,低于NCP1014内部开关700V的额定电压。由于NCP1014电流被限制在450mA,D5可以选择1A,600V的快速恢复二极管MURA16O,并且选择C3=1.5nF/1kV和R2=47k!/1W来吸收和消耗泄漏能量。
2.4?偏置电源元件选择
二极管D6和C4,R3,C5组成整流滤波电路,为U1提供偏置。由于最大峰值输入电压是374V,NP/Nb=105/13,因此感应到T1偏置绕组的电压是374V?(105/13)=46.3V。22V的最大输出反射到T1C的电压是22V?(Nb/Ns)=22V?(13/20)=14.3V。D6的反向电压为两个电压之和,即46.3V+14.3V=60.6V。由于NCP1014的工作电流不足1.2mA,因此D6选用200mA,100V的MMBD914是足够的。选择C4=100nF/25V用作峰值滤波,选择R3=1.5k!/0.1W来限制出现在U1引脚VCC上的最大电压。选择C5=2.2?F/50V允许在每个半周期上放电,以避免出现可见的闪烁。
2.5?输出整流滤波元件选择
整流二极管D7必须交付高于630mA平均电流的峰值电流。D7的峰值反向电压为374V?(NS/NP)+22V=374V?(20/105)+22V=93.2V,D7可以选用3A,200V,35nS的MURS320。选择C8=C9=1000?F,可将峰?峰值纹波电流限制在25%,即144mA。
2.6?电流传感电阻的选择
当电流传感电阻Rsense(R6?R7?R8)上的电压降约达0.6V时,PNP晶体管Q1导通,光电耦合器U2中的LED导通,通过光耦晶体管为U1的FB引脚提供反馈。输出峰?峰值纹波电流是平均输出电流的25%,峰值电流比平均电流高12.5%,因此Rsense值为:
Rsense=0.60.63?(1+12.5%)=0.865!??
选择R6=R7=1.8!/0.25W,R8=10!/0.25W。R6,R7和R8并联后的总电阻是0.83!。
2.7?调光电路元件的选择
电流通过Q2使输出电流减小。将最小的LED电流设置在50mA,在Rsense上的电压降为50mA?0.83!%42mV。Q1的发射极?基极电压是600mA,扣除42mV后得558mV,通过R11的电流为558mV/100!=5.58mA。由于D9的稳压电压是5.1V,Q2的发射极电压约为5.1V-0.6V=4.5V,R14值为4.5V/5.58mA=806!,选择R14=820!。
设定在Q2基极上的控制电压是0.5V,R15电阻值是:
R15=R13?0.5VD9-0.5=1?104?0.55.1-0.5=1.09k!
选择R15=1k!。
3?小结
基于控制器NCP1014的8WLED台灯驱动电路,在桥式整流器输出取消了平滑(滤波)电容器,借助于保持NCP1014反馈输入端上的电平在AC线路半周期之内基本不变,可以获得不低于0.7的高功率因数,满足DOE能源之星固态照明(SSL)光源标准(版本1.1?12/19/08)要求。这种隔离反激式LED照明电源,提供可调光功能,效率达75%.