基于NCL30000单级反激式LED驱动器设计

2010-06-13许维胜

科技传播 2010年19期

关键词：调光环路导通

余飞，许维胜

同济大学电子与信息工程学院，上海 201804

基于NCL30000单级反激式LED驱动器设计

余飞，许维胜

同济大学电子与信息工程学院，上海 201804

NCL30000是一款应用于中小功率场合的单级功率因数(PF)校正LED驱动器。这款芯片采用恒定导通时间模式（CrM）控制，特别适合于隔离型反激LED应用，且与标准的三端可控硅（TRIAC）调光器兼容。本文主要介绍了NCL30000的特点和基于该芯片的TRIAC可调光离线反激式LED驱动电路的设计方案。

NCL30000； LED驱动器；反激式； TRIAC调光

0 引言

NCL30000是美国安森美公司（ON Semi）研发的一款适用于中小功率场合的单级功率因数校正(PFC)型LED驱动器。它使得LED驱动电路的PFC级和DC/DC级可以共用一个控制器和一个功率开关，使电路的元器件大大减少，并且能达到很高功率因数和能效，符合美国“能源之星”商业及住宅照明应用要求。

随着LED灯逐步进入通用照明市场，兼容已有的调光设备显得十分重要。如果利用传统白炽灯和卤素灯三端双向可控硅（TRIAC)调光器对LED进行调光 ,不仅会出现 100Hz/120Hz的闪烁 ,而且不能获得较大的调光范围。NCL30000 的临界导通模式和可编程导通时间限制功能，使得允许利用标准TRIAC调光器对LED进行宽范围的平稳无闪烁调光，拓展了LED灯的应用范围。

1 控制器NCL30000的内部结构与特点功能

1.1 NCL30000的内部结构

NCL30000作为单级PFC型LED驱动器，采用电压模式控制，其结构如图1所示。器件内部集成有可编程导通时间限制器、零电流检测（ZCD）感测模块、门驱动器，以及应用临界导通模式（CrM）开关电源所需的全部其它脉宽调制（PWM）电路和保护功能。NCL30000 拥有典型值为24μA的低启动电流及典型值2mA的低工作电流，从而保证对Vcc电容快速，低损耗的充电，配合高能效设计。过流保护设置在500mV减少了在电流感应电阻上的功率消耗。NCL30000工作温度范围为-40℃至+125℃，确保能用于大多数固态照明（SSL）应用中规定的不同环境工作范围。

1.2 NCL30000的控制功能

1.2 .1 导通时间控制

导通时间控制电路包括一个精密的电流源，在得到MOSFET导通信号后，通过给外部电容Ct充电，使其电压逐渐抬高。该电压与控制电压Vcontrol比较，当Ct上的电压值超过Vcontrol，则关断MOSFET并使Ct放电。

Vcontrol的值取决于外部控制环路，与输入电压有效值和输出负载有关。为了得到很高的功率因数，Vcontrol值必须在半个线电压周期内保持稳定（即控制环路带宽必须较低）。

1.2 .2 零电流检测

反激式开关电源在功率MOS管导通时，能量储存在变压器的主边。当MOS管被关断时，能量被传递到变压器次级绕组和偏置绕组。由于芯片工作在临界导通模式下，故包含一个零电流检测（ZCD）模块。当芯片检测到RZCD上的电流为零时，使MOS管重新导通，开始下一个周期。为了防止触发错误，ZCD引脚采用了双比较器结构，只有当引脚电压大于1.4V再低于0.7V之后才会使触发器置位。

图1 NCL3000内部结构图

2 基于NCL30000的可调光离线式LED驱动电路

图2为一种基于NCL30000的TRIAC调光离线式LED驱动电路。这种AC-DC恒流驱动电路主要含有以下几个部分，即 TRIAC调光器，单级PFC控制电路，变压器，恒流恒压（CC/CV）反馈控制电路。整个系统的核心是NCL30000。下面将介绍该电路的工作原理。

2.1 TRIAC调光器

在图2中，串联在桥式整流器BR1输入端上的TRIAC调光器电路如图3（a）所示。这种标准TRIAC调光器电路，主要由 R1，R2，C1 和双向触发二极管（DIAC）及TRIAC 组成，其调光波形如图3（b）所示。R1 , R2 和C1值决定调光器的延迟。调节电位器 R1 ，使滑动片向下移动，则将增加导通延时，而使导通角 θ减小，LED亮度则变暗。这种相控调光器以前主要用于白炽灯调光。而相对于白炽灯的阻性负载，LED的容性负载特性使得使用TRIAC调光变得困难。

图2 基于NCL30000的离线式LED驱动电路

图3 TRIAC调光器电路及其波形

与一般的PWM调光芯片采用的导通角检测电路不同，NCL30000采用的是检测输入电压的有效值（input RMS Voltage），以限制输出功率的方式来进行调光。但是该系统具有反馈控制环路，保证输出功率的稳定，故为实现调光控制，LED驱动器将具有两种不同的控制模式。当调光器未调光时，电路将工作在副边控制模式下（Secondary Control），从而为LED灯提供稳定的电流，当调光器开始调光后，即导通角度开始逐渐减小，系统将工作在开环模式下，进入原边控制模式（Primary Control），并限制功率的输出。为了达到这个目的，系统的导通时间和输入电压成反比关系，并且当输入电压开始低于设定的调光电压时，导通时间将达到最大，并且不再变化，这就是芯片的最大导通时间控制（maximum on-time control）功能。由此可见，最大导通时间控制电容C9的值的选择显得十分关键。C9的值和调光初始电压和负载有关。公式（1）提供了一个它的近似值

其中，Lpri是变压器主边电感，Po输出功率，Icharge和VCT（MAX）由芯片自身特性决定，η’是变压器传输效率，Vpk是设定调光电压的峰值，N是变压器匝数比，Vout是输出电压。

2.2 单级PFC电路和反馈控制电路

系统的工作原理如下，当电源接通时，主电路通过电阻R12给芯片的旁路电容C8充电，当芯片达到启动电压后开始工作，辅助绕组开始工作，为控制部分供电。当功率管导通时，由于次级绕组无法构成回路，变压器原边无法向副边和辅助绕组供电，相当于电感，储存能量；当功率管关断时，变压器原边与功率电路断开，并向次级绕组和辅助绕组供电。

次级采用恒流恒压双环控制。NCS1002是一款恒流恒压次级端控制器（Constant Voltage/Constant Current Secondary Side Controller）。它的内部框图如图4所示。它内部集成了一个2.5V的基准和两个高精度的运放。电压基准和运放1是电压控制环路的核心。运放2则是一个独立运放，用于电流控制。

电压控制环路用于保证输出电压稳定。电流反馈控制环路检测LED平均电流，即R29上的电流，将其转换成电压和2.5V基准比较，并将误差反馈到NCL30000中来调整导通时间，以保证电流输出稳定。为了得到足够高的功率因数，控制环路的带宽必须足够低，以保证导通时间在线电压半个周期内足够稳定。因为关断时间取决于传输到变压器的能量和负载，因此开关频率是不断变化的。线电压和频率的关系如图5所示。