小尺寸非隔離恒流18WLED日光燈驅(qū)動(dòng)方案

進(jìn)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(gè)趨勢正在推動(dòng)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(qū)動(dòng)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(gè)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(qū)動(dòng)器)是消費(fèi)者廣泛采用LED通用照明的原始推動(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是驅(qū)動(dòng)：LED光源的大腦。更小體積、更少元件、更低成本、更強(qiáng)大，這些是市場對LED驅(qū)動(dòng)電源的“苛刻”要求。

本文介紹的這種極簡線路18W LED日光燈驅(qū)動(dòng)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(yīng)這種“苛刻”要求而生的。簡單即完美的哲學(xué)在這種方案里發(fā)揮得淋漓盡致。

2.1 第三代非隔離LED恒流控制技術(shù)閉環(huán)算法TRUEC2簡介

針對LED照明負(fù)載特點(diǎn)，目前非隔離式的恒流驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是BUCK降壓結(jié)構(gòu)。非隔離LED恒流控制技術(shù)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(guān)斷時(shí)間模式，嚴(yán)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(shù)閉環(huán)算法，稱為TRUEC2的控制策略。上海占空比半導(dǎo)體公司的DU8618芯片，基于TRUEC2驅(qū)動(dòng)技術(shù)，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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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?fù)渖?，二者沒有區(qū)別，都是非隔離的BUCK降壓拓?fù)?。但是在芯片?nèi)部有兩個(gè)基準(zhǔn)，一個(gè)是峰值基準(zhǔn)，一個(gè)是平均值基準(zhǔn)。芯片檢測到電感電流信號，做專利技術(shù)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(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。這種控制結(jié)構(gòu)，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(yīng)用中是非常重要的，這相當(dāng)于大大降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。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(shè)計(jì)，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(qū)動(dòng)需求。

圖1:芯片內(nèi)部TRUEC2部分模塊工作示意

2.2 DU8618集成開關(guān)簡化線路實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)18W LED日光燈恒流控制

DU8618是基于TRUEC2技術(shù)，專門用于18W LED非隔離日光燈驅(qū)動(dòng)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(biāo)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(qū)動(dòng)電源示意圖

圖3:DU8618輸出18W非隔離LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源尺寸示意

圖4:PCB布板圖

圖2原理圖顯示，實(shí)現(xiàn)18W的輸出功率，方案所需的所有元件為僅14個(gè)。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(jìn)的控制方式是實(shí)現(xiàn)更高的功率密度的根本原因。實(shí)際意義并不僅僅是提高了功率密度。技術(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)如此高效率的關(guān)鍵。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于輸入電壓、負(fù)載LED變化情況下，我們測試得到如下線性、負(fù)載調(diào)整率結(jié)果：[!--empirenews.page--]

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?yàn)樾酒鹬芷陂]環(huán)控制，立刻響應(yīng)，不會(huì)引起輸出電流變化。在實(shí)現(xiàn)如此理想的線性調(diào)整率的同時(shí)，還省卻了第二代控制芯片因?yàn)榫€性補(bǔ)償?shù)脑S多外圍元器件，簡單即完美的哲學(xué)在此設(shè)計(jì)中再一次體現(xiàn)。

圖6:系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率

高負(fù)載調(diào)整率的實(shí)際意義是多套燈負(fù)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(shè)計(jì)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(jià)值。值得一提的是，如圖6,此系統(tǒng)在短路的時(shí)候依然實(shí)現(xiàn)了恒流，這就意味著：1. 短路保護(hù)通過最安全的方式實(shí)現(xiàn)。2. 這是真正意義的全負(fù)載恒流。

圖5、6可以看到，由于閉環(huán)控制，在設(shè)計(jì)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(rèn)為是恒定的輸出電流，即線性調(diào)整率接近0,負(fù)載調(diào)整率為±0.5%.量產(chǎn)時(shí)，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(guān)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(gè)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(fù)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(dá)簡單的設(shè)計(jì)哲學(xué)在成本核算時(shí)體現(xiàn)得淋漓盡致。

3 趨勢展望

筆者認(rèn)為，隨著絕緣散熱材料的優(yōu)化普及，非隔離驅(qū)動(dòng)方案是大勢所趨。其更高的效率實(shí)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(fèi)者帶來動(dòng)力。某些低價(jià)隔離方案，事實(shí)上完全沒有達(dá)到隔離的安規(guī)，劍走偏鋒，不利于長遠(yuǎn)發(fā)展。

好在LED行業(yè)目前是個(gè)典型的短周期行業(yè)，技術(shù)而非資本是核心競爭力。大膽的預(yù)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(huì)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(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是高端填谷式高效率、高PF、低紋波方案。一個(gè)是本文的全閉環(huán)超高性價(jià)比方案，其目標(biāo)是讓LED日光燈在維持高品質(zhì)的情況下，讓市場售價(jià)迫近30元人民幣，會(huì)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(huì)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(jìn)LED調(diào)光技術(shù)的興起，將退出歷史舞臺(tái)。取而代之的方案將給人們非常新穎的光體驗(yàn)。

崇效天，卑法地。筆者作為節(jié)能環(huán)保事業(yè)的狂熱追求者，作為LED業(yè)內(nèi)人士，深信先進(jìn)技術(shù)是未來簡單、完美而光明世界的唯一驅(qū)動(dòng)力。創(chuàng)造力永遠(yuǎn)是人類得以生存、進(jìn)化的原動(dòng)力。盲目低價(jià)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(fèi)者對LED產(chǎn)品喪失信心。廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局在去年8月通報(bào)LED燈產(chǎn)品質(zhì)量省級專項(xiàng)監(jiān)督抽查結(jié)果，在7個(gè)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(jié)果，一個(gè)有良知的業(yè)內(nèi)人士，唯有對先進(jìn)技術(shù)孜孜不倦追求，才是造福人類的唯有途徑。