基于NCL30000單級反激式LED驅動器設計

余 飛，許維勝

同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804

基于NCL30000單級反激式LED驅動器設計

余 飛，許維勝

同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804

NCL30000是一款應用于中小功率場合的單級功率因數(PF)校正LED驅動器。這款芯片采用恒定導通時間模式（CrM）控制，特別適合于隔離型反激LED應用，且與標準的三端可控硅（TRIAC）調光器兼容。本文主要介紹了NCL30000的特點和基于該芯片的TRIAC可調光離線反激式LED驅動電路的設計方案。

NCL30000； LED驅動器 ；反激式 ； TRIAC調光

0 引言

NCL30000是美國安森美公司（ON Semi）研發的一款適用于中小功率場合的單級功率因數校正(PFC)型LED驅動器。它使得LED驅動電路的PFC級和DC/DC級可以共用一個控制器和一個功率開關，使電路的元器件大大減少，并且能達到很高功率因數和能效，符合美國“能源之星”商業及住宅照明應用要求。

隨著LED燈逐步進入通用照明市場，兼容已有的調光設備顯得十分重要。如果利用傳統白熾燈和鹵素燈三端雙向可控硅（TRIAC)調光器對LED進行調光 ,不僅會出現 100Hz/120Hz的閃爍 ,而且不能獲得較大的調光范圍。NCL30000 的臨界導通模式和可編程導通時間限制功能，使得允許利用標準TRIAC調光器對LED進行寬范圍的平穩無閃爍調光，拓展了LED燈的應用范圍。

1 控制器NCL30000的內部結構與特點功能

1.1 NCL30000的內部結構

NCL30000作為單級PFC型LED驅動器，采用電壓模式控制，其結構如圖1所示。器件內部集成有可編程導通時間限制器、零電流檢測（ZCD）感測模塊、門驅動器，以及應用臨界導通模式（CrM）開關電源所需的全部其它脈寬調制（PWM）電路和保護功能。NCL30000 擁有典型值為24μA的低啟動電流及典型值2mA的低工作電流，從而保證對Vcc電容快速，低損耗的充電，配合高能效設計。過流保護設置在500mV減少了在電流感應電阻上的功率消耗。NCL30000工作溫度范圍為-40℃至+125℃，確保能用于大多數固態照明（SSL）應用中規定的不同環境工作范圍。

1.2 NCL30000的控制功能

1.2 .1 導通時間控制

導通時間控制電路包括一個精密的電流源，在得到MOSFET導通信號后，通過給外部電容Ct充電，使其電壓逐漸抬高。該電壓與控制電壓Vcontrol比較，當Ct上的電壓值超過Vcontrol，則關斷MOSFET并使Ct放電。

Vcontrol的值取決于外部控制環路，與輸入電壓有效值和輸出負載有關。為了得到很高的功率因數，Vcontrol值必須在半個線電壓周期內保持穩定（即控制環路帶寬必須較低）。

1.2 .2 零電流檢測

反激式開關電源在功率MOS管導通時，能量儲存在變壓器的主邊。當MOS管被關斷時，能量被傳遞到變壓器次級繞組和偏置繞組。由于芯片工作在臨界導通模式下，故包含一個零電流檢測（ZCD）模塊。當芯片檢測到RZCD上的電流為零時，使MOS管重新導通，開始下一個周期。為了防止觸發錯誤，ZCD引腳采用了雙比較器結構，只有當引腳電壓大于1.4V再低于0.7V之后才會使觸發器置位。

圖1 NCL3000內部結構圖

2 基于NCL30000的可調光離線式LED驅動電路

圖2為一種基于NCL30000的TRIAC調光離線式LED驅動電路。這種AC-DC恒流驅動電路主要含有以下幾個部分，即 TRIAC調光器，單級PFC控制電路，變壓器，恒流恒壓（CC/CV）反饋控制電路。整個系統的核心是NCL30000。下面將介紹該電路的工作原理。

2.1 TRIAC調光器

在圖2中，串聯在橋式整流器BR1輸入端上的TRIAC調光器電路如圖3（a）所示。這種標準TRIAC調光器電路，主要由 R1，R2，C1 和雙向觸發二極管（DIAC）及TRIAC 組成，其調光波形如圖3（b）所示。R1 , R2 和C1值決定調光器的延遲。調節電位器 R1 ，使滑動片向下移動，則將增加導通延時，而使導通角 θ減小，LED亮度則變暗。這種相控調光器以前主要用于白熾燈調光。而相對于白熾燈的阻性負載，LED的容性負載特性使得使用TRIAC調光變得困難。

圖2 基于NCL30000的離線式LED驅動電路

圖3 TRIAC調光器電路及其波形

與一般的PWM調光芯片采用的導通角檢測電路不同，NCL30000采用的是檢測輸入電壓的有效值（input RMS Voltage），以限制輸出功率的方式來進行調光。但是該系統具有反饋控制環路，保證輸出功率的穩定，故為實現調光控制，LED驅動器將具有兩種不同的控制模式。當調光器未調光時，電路將工作在副邊控制模式下（Secondary Control），從而為LED燈提供穩定的電流，當調光器開始調光后，即導通角度開始逐漸減小，系統將工作在開環模式下，進入原邊控制模式（Primary Control），并限制功率的輸出。為了達到這個目的，系統的導通時間和輸入電壓成反比關系，并且當輸入電壓開始低于設定的調光電壓時，導通時間將達到最大，并且不再變化，這就是芯片的最大導通時間控制（maximum on-time control）功能。由此可見，最大導通時間控制電容C9的值的選擇顯得十分關鍵。C9的值和調光初始電壓和負載有關。公式（1）提供了一個它的近似值

其中，Lpri是變壓器主邊電感，Po輸出功率，Icharge和VCT（MAX）由芯片自身特性決定，η’是變壓器傳輸效率，Vpk是設定調光電壓的峰值，N是變壓器匝數比，Vout是輸出電壓。

2.2 單級PFC電路和反饋控制電路

系統的工作原理如下，當電源接通時，主電路通過電阻R12給芯片的旁路電容C8充電，當芯片達到啟動電壓后開始工作，輔助繞組開始工作，為控制部分供電。當功率管導通時，由于次級繞組無法構成回路，變壓器原邊無法向副邊和輔助繞組供電，相當于電感，儲存能量；當功率管關斷時，變壓器原邊與功率電路斷開，并向次級繞組和輔助繞組供電。

次級采用恒流恒壓雙環控制。NCS1002是一款恒流恒壓次級端控制器（Constant Voltage/Constant Current Secondary Side Controller）。它的內部框圖如圖4所示。它內部集成了一個2.5V的基準和兩個高精度的運放。電壓基準和運放1是電壓控制環路的核心。運放2則是一個獨立運放，用于電流控制。

電壓控制環路用于保證輸出電壓穩定。電流反饋控制環路檢測LED平均電流，即R29上的電流，將其轉換成電壓和2.5V基準比較，并將誤差反饋到NCL30000中來調整導通時間，以保證電流輸出穩定。為了得到足夠高的功率因數， 控制環路的帶寬必須足夠低，以保證導通時間在線電壓半個周期內足夠穩定。因為關斷時間取決于傳輸到變壓器的能量和負載，因此開關頻率是不斷變化的。線電壓和頻率的關系如圖5所示。

圖4 NCS1002內部結構框圖

圖5 線電壓與頻率的關系（設置90Vac時的頻率為39KHZ）

3 結論

NCL30000是含有TRIAC調光功能的單級功率因數校正型LED驅動器?；贜CL30000的離線反激式LED驅動電路，大大減少了元器件的數目，結合系統工作在臨界導通模式下，使得系統的轉換效率較高，即使輸入電壓在很大的范圍波動時，仍然有比較穩定的輸出，很適合用于中小功率場合。

[1]On Semiconductors.NCL30000 Power Factor Corrected Dimmable LED Driver.http://www.onsemi.cn，2010.

[2]On Semiconductors. NCL30000LED1GEVB/D.http://www. onsemi.cn，2010.

[3]LED TRIAC 調光方案實現簡易的傳統照明方案替代.電子 工程專輯，2009，6.

TN7

A

1674-6708（2010）28-0222-02

余飛，碩士研究生，研究方向：功率電路設計