基于NCPl01x的Luxeon Star LED驱动电路设计

1 引言
    超高亮度发光二极管(LED)的发展比人们先前的预计要更加迅猛。十几年前，发光强度达到或超过100坎德拉(cd)的LED被定义为超高亮度LED，而目前的水平早已突破1300 cd。几年前，LED的工作电流仅为10 mA~30 mA，发光效率仅为101 m~201 m/W，功率仅为几毫瓦或几十毫瓦(mW)。Lu-mileds照明公司的超高亮度LED(被称作LuxeonLED、Luxeon发射器和Luxeon Star)早已投放市场，其工作电流达200 mA～700 mA，功率达0.7 W~5W，发光效率高于25 lm/W，绿光、红光和深蓝色350mA LED的光通量达25 lm~30 lm。工作电流达l A乃至大于l A的LED很快就会投放市场。白色LED的发光效率已突破40 lm/W，远优于白炽灯，仅次于荧光灯。目前正在研制发光效率不只锁定在100 lm/W～120 lm/W，而是更高的LED。美国能源部资助由加州大学圣巴巴拉分校和壬色列学院照明中心承担的半导体照明项目，发光效率锁定在200 lm/W，远高于荧光灯、高压钠灯及金卤灯。该研发项目的目标旨在替代所有传统电光源。业界普遍认为，LED的发展将给照明领域带来一场革命。超高亮度LED是2l世纪最具有竞争力的固态光源。超高亮度LED的应用领域除大屏幕显示、汽车和交通灯等外．大约再过十余年将会取代自炽灯、卤钨灯和荧光灯。

2 大电流LED的离线驱动方案
    在汽车中应用时超高亮度大电流LED可以利用汽车直流电源供电。若大电流LED用于景观照明、树木和草坪照明以及轿车停车场、交通安全岛信号灯、大屏幕显示背光源等场合时，宜采用220V(或110 V)的工频市电供电。
    驱动超高亮度Luxeon LED的最简单方案是采用图l所示的桥式整流电容器滤波电路。电源降压变压器次边输出为14Vac(Vin)，桥式整流滤波电路输出电压VDC=1.2Vin。LXHL-MWlD型Luxeon LED的正向工作电流ILED=350 mA，正向压降(@350 mA)VLED=3.5 V。

    限流电阻器Rl的阻值为

   
    可选择R1=20 Ω。当AC线路波动范围为±10％时，通过LED的电流变化率大于±25％。图l所示的LED供电电路虽然虽然简单，但电流调节性能差，并且在高AC线路下电压起伏时易损坏LED。图2所示为采用线性稳压器的Luxeon驱动电路。2只LXHL-MWlD型LED串联用于景物照明。

    MC7809型三端稳压器输出电压Vout=9V，电阻器Rl的阻值为

   
    图2所示的LED供电电路具有优良的电流调整性能(通常为±5％)，但功率损耗较大，系统效率很低。

    另外一种驱动方方案是基于控制电路(如NCPl200等)的回扫式开关电源拓扑配置。开关调整器电路要复杂一些，但可以获得优异的恒流特性，效率高达80％，虽然这种方案也用变压器，但因其在高频下工作，故尺寸和重量均比工频电流降压变压器要小得多和轻得多。

3 Luxeon Star LED驱动电路
3.1 NCPl01x的主要特点
    安森美半导体最近推出了NCPIOlx系列低待机功率离线开关电源自供电单片转换开关，集成了一个固定频率电流模式控制器和一个700 V的功率MOSFET。这种转换开关不仅可用于充电器低功率AC/DC适配器的UBS、TV等辅助电源，还可以用于驱动Luxeon Star LED。NCP101x系列转换开关的主要特点如下：
    ●内部700 V的MOSFET导通电阻RDS(on)为l1/22 Ω；
    ●电流模式固定频率工作(65 kHz/100 kHz/130kHz)；
    ●在低峰值电流下跳越周期消除了声频噪声；
    ●动态自供电(DSS)，无需偏置绕组；
    ●内部l ms的软启动；
    ●频率抖动改善了EMI性能；
    ●如果使用辅助绕阻，则停止DDS工作，待机功率低于100 mW；
    ●内置过电压保护(OVP)电路；
    ●内置自校复输出短路保护电路；
    ●门限温度为150℃(带50℃滞后)的过温度关断保护；
    ●反馈回路连接光耦合器。
3.2 引脚功能及主要参数
    NCPl01x系列电路采用7引脚PDIP封装、7引脚PDIP(鸥翼型)封装和4引脚SOT-23封装，引脚排列如图3所示。

    NCPl0Ix系列转换开关的引脚功能如下：Vcc为内部电路供电，外部连接1只10 μF电容器，电容器的纹波参与频率抖动。该脚可连接辅助电源以改善待机性能，同时在反馈回路出现故障时，该脚还提供有源关断保护；GND为地；NC脚不连接；FB脚为反馈信号输入；Drain为内部MOSFET的漏极。
    NCPIOIx系列电路有5种型号：NCP1010、NCPl011、NCP1012、NCPl013和NCPl014。表1所列参数为用户提供快速选择。
    对于给定的NCP101x，其最大输出功率与AC线路输入电压和Vcc供电方式有关。表2所列为NCPl014在不同条件下的最大输出功率。

3.3 应用电路实例
3.3.1 Luxeon LED阵列驱动电路
    基于NCPl012的回扫变换器驱动Luxeon LED阵列的实际电路如图4所示。每个LED均为LXHL-MWlD，其正向工作电流为350 mA，正向压降(@350mA)为3.5 V。回扫式开关电源的输出DC电压为17.5 V，输出功率为6.125 W，效率接近80％。NCPl012采用动态自供电(DSS)，Vcc无需偏置绕组和外部启动电阻器。开关电源输出高度稳定的电压和电流，各项性能指标优于线性稳压器电路。

3.3.2 Luxeon Star LED驱动电路
    NCP101x系列转换开关可用于驱动1 W、3 W和5W等Luxeon Sta LED，具体选择如表3所列。

    图5所示为由NCP1013和Luxeon V Star LED组成的闪光灯电路。Luxeon V Sta LED可用作警灯、应急灯和信标灯等。

    AC线路电压经D1、D2和Cl半波整流及滤波，为AC-DC变换器初级侧提供DC总线电压。为获得闪烁功能，未用电路次级到初级的反馈回路。引脚FB上的1 nF陶瓷电容器C3用作旁路高频噪声。并联在T1初级侧上的ZDl和D3组成器件内部MOSFET漏极箝位电路。
    图6所示为NCPl013的动态自供电电路。在系统加电后，高压启动电流源(8m A)对引脚Vcc上的电容器CVcc充电。当Vcc脚上的电压达到8.5 V的门限电平时，内部电流源关断，MOSFET被唤醒和激活。Vcc电容器上产生幅度为1 V(8.5 V-7.5V)的纹波，如图7所示。

    LED闪烁是借助于图8所示的内部短路检测电路实现的，该电路监视内部误差标志信号。如果误差信号为低态(峰值电流限制未被激活)，则电路正常工作，一旦误差信号激活，则电路立刻停止输出脉冲，并且不允许启动电流源。在此情况下，Vcc下降，直至达到关断电平(4.7 V)，而后开始重新启动。LED的闪烁周期由引脚Vcc上的电容器CVcc(即图5中的C2)容值确定．占空因数固定并由电路内部的电流消耗确定。

4 结束语
    基于NCP101x系列转换开关的反激式变换器是大电流LED离线供电电源比较理想的解决方案。与线性稳压器方案比较，开关调整器驱动方案的AC线路电压输入范围宽(85 V~265 V)、效率高(约80％)，并且具有过载、短路和过热保护功能，而且电路成本增加很少甚至没有增加。