用于低成本高效率離線LED驅(qū)動(dòng)器的初級端調(diào)節(jié)技術(shù)

隨著照明行業(yè)的不斷創(chuàng)新和迅速發(fā)展，加之節(jié)能和環(huán)保日益重要，高亮度(HB)LED已從簡單的指示燈演變?yōu)槌絺鹘y(tǒng)光源的重要照明源。相比其他照明解決方案，HB LED具有數(shù)項(xiàng)顯著的優(yōu)勢，例如能耗低、壽命長和照明質(zhì)量高。不過，HB LED要想成功取代普通白熾燈進(jìn)入大批量市場，其驅(qū)動(dòng)電子裝置的成本必須降至最低。 圖1 傳統(tǒng)的次級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動(dòng)器 　　對傳統(tǒng)照明源白熾燈而言，驅(qū)動(dòng)是輕而易舉的事情，只要讓燈泡直接與電壓源連接就行了。大多數(shù)能源都是以恒定電壓的形式存在的，這使得白熾燈的驅(qū)動(dòng)成本相當(dāng)?shù)汀Ｈ欢?，LED有一個(gè)光輸出強(qiáng)度，這與它的電流及正向壓降成正比，并隨溫度而變化。 　　因此，LED需要一個(gè)恒定電流來驅(qū)動(dòng)，并需要額外的電路。傳統(tǒng)上，LED的離線恒定電流驅(qū)動(dòng)器一般是采用帶輸出電流調(diào)節(jié)電路 (見圖1) 的隔離反激式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。通過一個(gè)檢測電阻測量實(shí)際的LED電壓，然后與參考電壓數(shù)值進(jìn)行比較，得出誤差電壓。該誤差電壓經(jīng)由光耦合器被傳送到初級端，用于控制初級端開關(guān)器件的占空比。盡管這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)出色的LED電流調(diào)節(jié)，但輸出調(diào)節(jié)電路需要光耦合器、參考電壓和檢測電阻，大大增加了系統(tǒng)成本，降低了總體效率。 　　初級端調(diào)節(jié)(primary side regulation，PSR)技術(shù)可能是將離線LED驅(qū)動(dòng)器的成本降至最低的最佳解決方案。這項(xiàng)技術(shù)只需驅(qū)動(dòng)器初級端的信息，就可精確控制次級端的LED電流，不僅消除了輸出電流檢測損耗，同時(shí)省去所有次級反饋電路，從而在不產(chǎn)生龐大成本的前提下提高離線LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的效率。此外，該技術(shù)無須次級端反饋電路，即可調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓，這相當(dāng)于提供了一種開燈過壓保護(hù)功能，進(jìn)一步確保了驅(qū)動(dòng)器的可靠性。本文將論述初級端調(diào)節(jié)技術(shù)的基本工作原理，并介紹一種高集成度的初級端調(diào)節(jié)PWM控制器。與傳統(tǒng)的次級端調(diào)節(jié)方法相比，這種控制器擁有多種顯著的優(yōu)勢。 圖2 初級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動(dòng)器及其典型波形 　　初級端調(diào)節(jié)的基本概念 　　圖2為初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其典型波形。一般而言，斷續(xù)傳導(dǎo)模式(discontinuous conduction mode，DCM)輸出調(diào)節(jié)性能較好，因此是初級端調(diào)節(jié)的首選工作模式。初級端調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于如何在無直接檢測的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數(shù)值，通過傳統(tǒng)的PI控制方法就可以輕易進(jìn)行控制了。 　　在MOSFET導(dǎo)通時(shí)間(TON)內(nèi)，初級端電感(Lm)加載輸入電壓(VIN)。于是，MOSFET電流(Ids)從0線性增加到峰值(Ipk)。在這段時(shí)間內(nèi)，能量從輸入端轉(zhuǎn)移存儲在電感中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，存儲在電感中的能量促使整流二極管(D)導(dǎo)通。在二極管導(dǎo)通時(shí)間(TD)內(nèi)，輸出電壓(Vo)加載在次級端電感上(Lm×Ns2/Np2)，二極管電流(ID)從峰值(Ipk×Np/Ns)線性下降至0。在TD結(jié)束時(shí)，所有存儲在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間，輸出電壓和二極管正向壓降之和反映到輔助繞組端，表示為(Vo+VF)×Na/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小，在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管電流減小為0，故這時(shí)輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此，通過在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)對繞組電壓進(jìn)行簡單采樣，就可以得到輸出電壓的信息，而二極管導(dǎo)通時(shí)間則可通過監(jiān)控輔助繞組電壓而獲得。 圖3 集成式電源開關(guān)(FSCQ-系列)的內(nèi)部模塊示意圖 　　同時(shí)，輸出電流的估算需要一些乘法計(jì)算。假設(shè)輸出電流與二極管穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均電流相等，輸出電流可通過下式估算：Io=Ipk×(Np/Ns)×(TD/2Ts)。輸出電流估算器通過一個(gè)峰值檢測電路來獲取漏極電流峰值，并利用二極管導(dǎo)通時(shí)間(TD)計(jì)算出輸出電流。 　　集成式初級端調(diào)節(jié)控制器 　　初級端調(diào)節(jié)PWM控制器，如飛兆半導(dǎo)體公司的FAN102，是一種專門處理初級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的技術(shù)。這種技術(shù)可顯著簡化滿足更嚴(yán)苛效率要求的設(shè)計(jì)難題，并省去增加成本和可靠性問題的外部組件，如光耦合器和KA431。圖3為FAN102的內(nèi)部模塊示意圖。該器件具有一個(gè)用于誤差放大器的容差為±1%的內(nèi)部參考電壓，可以根據(jù)外部組件的容差將輸入電流/電壓變化減至最小，另外還帶有一個(gè)集成式外部組件溫度變化補(bǔ)償電路，無論溫度如何變化，均可獲得高精度。其內(nèi)部振蕩器具有跳頻功能以減小EMI，可在輸入端使用小型線路濾波器。 　　結(jié)論 　　結(jié)合了采樣和輸出估算的專有技術(shù)可為各種離線LED驅(qū)動(dòng)器提供調(diào)節(jié)精確、成本更低的實(shí)現(xiàn)方案—從街燈到醫(yī)療應(yīng)用，乃至櫥柜燈和臺燈這類消費(fèi)電子應(yīng)用都可實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，這些LED驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)更小的尺寸、更低的成本和更高的效率。