小尺寸非隔離式恒流18W LED日光燈驅動設計

進入2013年，我們切身感受到了LED行業(yè)發(fā)展的陣陣暖意。目前有好幾個趨勢正在推動LED照明市場的發(fā)展。首先是高亮度LED效率的不斷提升和高效率高可靠性恒流LED驅動電源的不斷涌現(xiàn)，其次是全球立法禁止白熾燈照明和CFL節(jié)能燈的逐步淡出(它含有對環(huán)境有害的水銀)。 　　這些因素綜合起來正使得LED照明成為一個長期的發(fā)展趨勢。更重要的是，低成本(包括LED燈珠、散熱系統(tǒng)和LED驅動器)是消費者廣泛采用LED通用照明的原始推動力。除了節(jié)能減排的重大使命以外，LED相比于其他光源更可控的特點使其可能革命性的豐富人們的用光環(huán)境，提供許多新穎的光影世界。而實現(xiàn)這些應用最為關鍵的環(huán)節(jié)就是驅動：LED光源的大腦。更小體積、更少元件、更低成本、更強大，這些是市場對LED驅動電源的“苛刻”要求。 　　這種極簡線路18W LED日光燈驅動方案，尺寸小于一枚一元硬幣，成本是目前市場主流方案的一半左右，是順應這種“苛刻”要求而生的。簡單即完美的哲學在這種方案里發(fā)揮得淋漓盡致。 　　第三代非隔離LED恒流控制技術閉環(huán)算法TRUEC2簡介 　　針對LED照明負載特點，目前非隔離式的恒流驅動電源的拓撲結構基本上是BUCK降壓結構。非隔離LED恒流控制技術的發(fā)展分為三代，從最初的固定頻率模式，到后來的固定關斷時間模式，嚴格說都不是真正的閉環(huán)恒流，一直發(fā)展到今天，所使用的是第三代非隔離控制技術閉環(huán)算法，稱為TRUEC2的控制策略。上海占空比半導體公司的DU8618芯片，基于TRUEC2驅動技術，對于各種外圍元件不敏感，這就在提高可靠性和精度的同時，降低了整體方案的成本。 　　所謂的閉環(huán)，即真正檢測輸出電流值，以此為標準來發(fā)出PWM信號。所謂開環(huán)，不以檢測到的輸出電流值來做發(fā)出PWM信號的參考。從電路拓撲上，二者沒有區(qū)別，都是非隔離的BUCK降壓拓撲。但是在芯片內(nèi)部有兩個基準，一個是峰值基準，一個是平均值基準。芯片檢測到電感電流信號，做專利技術處理，如圖1 TRUEC2部分做積分處理及峰值控制。這樣，就檢測到了電感電流的平均值，也就是輸出電流的平均值。 　　芯片針對檢測到的值，控制輸出占空比，實現(xiàn)了閉環(huán)控制。這種控制結構，使得線路極為簡單，由于閉環(huán)控制電流，相比于開環(huán)方式，此線路短路亦恒流。這在生產(chǎn)應用中是非常重要的，這相當于大大降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的風險。使得這種方案不僅在性能上有了質(zhì)的飛躍，在可靠性上也大大提高。DU8618集成了1A的高壓MOSFET，又將簡化線路做到了極致，通過低電流、高電壓的設計，降低損耗，讓1A MOSFET集成封裝于小體積的SOP8中，可以勝任所有18W以內(nèi)的非隔離LED驅動需求。 圖1：芯片內(nèi)部TRUEC2部分模塊工作示意 　　2、DU8618集成開關簡化線路實現(xiàn)全閉環(huán)18W LED日光燈恒流控制   　　DU8618是基于TRUEC2技術，專門用于18W LED非隔離日光燈驅動的芯片。 　　基本電參數(shù)要求如下： 　　輸入電壓范圍：180~265VAC/50Hz 典型效率：》95% 　　輸出電壓范圍：60~180VDC 輸出電流：90mA 　　標稱輸出功率：18W 圖2：全閉環(huán)非隔離降壓恒流18W LED日光燈驅動電源示意圖 　　圖2原理圖顯示，實現(xiàn)18W的輸出功率，方案所需的所有元件為僅14個。圖3、圖4的直觀顯示表明，該方案小于一枚一元硬幣。上文介紹的先進的控制方式是實現(xiàn)更高的功率密度的根本原因。實際意義并不僅僅是提高了功率密度。技術進步所帶來的還包括：線路更簡單、成本降低、恒流精度更高。95%的效率高于市場大部分方案，小電流、高電壓的設計思路是實現(xiàn)如此高效率的關鍵。 　　實驗結果 　　對于輸入電壓、負載LED變化情況下，我們測試得到如下線性、負載調(diào)整率結果： 圖5：系統(tǒng)線性調(diào)整率 　　圖5的線性調(diào)整率接近0，這是因為芯片逐周期閉環(huán)控制，立刻響應，不會引起輸出電流變化。在實現(xiàn)如此理想的線性調(diào)整率的同時，還省卻了第二代控制芯片因為線性補償?shù)脑S多外圍元器件，簡單即完美的哲學在此設計中再一次體現(xiàn)。 　　高負載調(diào)整率的實際意義是多套燈負載可以用一套電源。例如12串輸出是36V左右，24串輸出是72V左右，如果設計電流值相同，可以使用同一套電源，對于電源廠，在生產(chǎn)中對于備料、庫存管理有顯著價值。值得一提的是，如圖6，此系統(tǒng)在短路的時候依然實現(xiàn)了恒流，這就意味著：1. 短路保護通過最安全的方式實現(xiàn)。2. 這是真正意義的全負載恒流。 圖6：系統(tǒng)負載調(diào)整率 　　圖5、6可以看到，由于閉環(huán)控制，在設計的正常工作范圍內(nèi)，輸出電流維持定值，單顆系統(tǒng)可以認為是恒定的輸出電流，即線性調(diào)整率接近0，負載調(diào)整率為±0.5%.量產(chǎn)時，由于參數(shù)一致性分布，大量試產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，恒流精度小于±2%。 圖7：開關波形 　　下面我們來看一下元件清單。 　　總成本BOM成本低于$3.5.這個成績跟某些阻容降壓或者線性高壓方案比，算不上特別，但考慮到這樣的線性調(diào)整率、負載調(diào)整率以及系統(tǒng)效率，以及沒有任何工頻紋波的輸出恒流效果，筆者無意盲從眾生，高舉“低成本”的噱頭，只想表達簡單的設計哲學在成本核算時體現(xiàn)得淋漓盡致。 　　趨勢展望 　　個人認為，隨著絕緣散熱材料的優(yōu)化普及，非隔離驅動方案是大勢所趨。其更高的效率實際意義除了降低能耗，更提高了LED燈珠使用率，降低成本，給消費者帶來動力。某些低價隔離方案，事實上完全沒有達到隔離的安規(guī)，劍走偏鋒，不利于長遠發(fā)展。 　　好在LED行業(yè)目前是個典型的短周期行業(yè)，技術而非資本是核心競爭力。大膽的預測： 　　- 隔離單級PF高紋波的方案遲早被“一級半”方案(高PF、低紋波、體積緊湊)所替代。 　　- 線性高壓LED方案會逐步替代阻容降壓方案。 　　- 成熟“一級半”方案大量面市之前，非隔離方案將漸漸奪取隔離方案的份額。 　　- 非隔離方案亦朝兩個方向發(fā)展：一個是高端填谷式高效率、高PF、低紋波方案。一個是本文的全閉環(huán)超高性價比方案，其目標是讓LED日光燈在維持高品質(zhì)的情況下，讓市場售價迫近30元人民幣，會引起市場爆發(fā)。 　　- 可控硅調(diào)光方案，雖然伴隨著頑固的在墻上的可控硅會存留，并且有大量棄而不舍的廠商嘗試做“全兼容方案”，但隨著先進LED調(diào)光技術的興起，將退出歷史舞臺。取而代之的方案將給人們非常新穎的光體驗。 　　作為LED業(yè)內(nèi)人士，深信先進技術是未來簡單、完美而光明世界的唯一驅動力。創(chuàng)造力永遠是人類得以生存、進化的原動力。盲目低價低質(zhì)惡性競爭的所謂“商業(yè)行為”，只能謀取短期私利，自毀長城，使消費者對LED產(chǎn)品喪失信心。廣東省質(zhì)量技術監(jiān)督局在去年8月通報LED燈產(chǎn)品質(zhì)量省級專項監(jiān)督抽查結果，在7個地市21家企業(yè)生產(chǎn)的LED燈產(chǎn)品共23批次，產(chǎn)品不合格率為73.9%.這樣的調(diào)查數(shù)據(jù)，你還敢用LED產(chǎn)品嗎?你還能相信它節(jié)能環(huán)保嗎?這就是走火入魔的結果，一個有良知的業(yè)內(nèi)人士，唯有對先進技術孜孜不倦追求，才是造福人類的唯有途徑。