具有高功率因數(shù)和超寬輸出電壓的LED驅(qū)動器

簡介：為了針對各種LED燈規(guī)范和LED特性提高靈活性和兼容性，本文介紹了覆蓋較寬輸出電壓范圍的LED驅(qū)動器。Fairchild的PSR控制器FL7733提供出色的高PF和低THD性能，并在非常寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供恒流調(diào)節(jié)。此外，本文中設計的LED驅(qū)動器可用于具有簡單設計和較低成本的各種LED照明燈具。

由于LED燈廣泛用于各種應用，它們的形狀和大小也多種多樣，以適合具體的燈具。另外，LED 驅(qū)動器的設計也應該合理，以便適應各種類型的 LED 以及定制化規(guī)格。正因如此，LED 電壓可能會根據(jù) LED 串聯(lián)數(shù)量或溫度在較大范圍內(nèi)變化。但是，不管何種設計，LED 電流都應該保持恒定，因為總流明與電流成正比。同時，高功率因數(shù) (PF) 和低總諧波失真 (THD) 成為 LED 驅(qū)動器的關鍵設計要求。因此，適合較寬輸出電壓范圍的驅(qū)動器有助于增加靈活性，以及兼容各種 LED 的特性。本文介紹了一款集成有先進初級端調(diào)節(jié) (PSR) 技術的PWM控制器，并提供了適用于較寬輸出電壓范圍的單級反激式轉(zhuǎn)換器設計指南。

1. 初級端調(diào)節(jié)控制器及其運行模式

LED 驅(qū)動器的初級端調(diào)節(jié) (PSR) 解決方案使得固態(tài)照明 (SSL) 產(chǎn)品符合國際法規(guī)(比如 Energy Star)。PSR 僅僅根據(jù)電源初級端的信息，精確控制輸出電流，不僅消除了輸出電流感測損耗，而且無需次級反饋電路。因此，允許在小尺寸改型燈具中使用驅(qū)動器電路以及滿足國際法規(guī)，而不會過多增加 SSL 應用的成本。Fairchild 的 FL7733脈寬調(diào)制(PWM) PSR 控制器有助于簡化設計從而滿足 SSL 要求，同時無需使用外部元件。FL7733 提供高精度輸出電流調(diào)節(jié)，以應對變壓器磁化電感、輸入和輸出電壓信息的改變，并提供強大的保護功能實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性。

圖 1. 初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器和關鍵波形

模式 I

在 MOSFET 導通期間 (tON)，輸入電壓 (VIN) 施加在變壓器的初級端電感 (Lm) 上。然后，MOSFET 的漏電流 (IDS) 從零線性增加至峰值 (IDS.PK)，如圖 1所示。在此期間，電能從輸入獲取并存儲在電感中。

模式 II

MOSFET (Q) 關斷時，變壓器中存儲的電能迫使整流二極管(D) 導通。當二極管導通時，輸出電壓 (VOUT) 和二極管正向壓降 (VF)施加到變壓器次級端電感，二極管電流 (ID) 從峰值 (IDS.PK·NP/NS) 線性減小至零。在電感電流放電時間 (tDIS) 結束時，變壓器中存儲的所有能量都被傳輸至輸出。

模式 III

當二極管電流達到零時，變壓器輔助繞組電壓開始因初級端電感 (Lm)與 MOSFET (Q) 上加載的有效電容之間的諧振而振蕩。

輸出電流可以通過峰值漏電流和電感電流放電時間估計，因為輸出電流與穩(wěn)態(tài)下的二極管電流平均值相同。漏電流峰值由 CS 峰值電壓檢測器確定，而電感電流放電時間由 tDIS檢測器檢測。根據(jù)峰值漏電流、電感電流放電時間和工作開關周期信息，創(chuàng)新型 TRUECURRENT 計算模塊可估算輸出電流如下：

圖 2. DCM 控制

應該保證 DCM，以實現(xiàn)反激式拓撲中的高功率因數(shù)。為了在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)維持 DCM，在線性頻率控制中由輸出電壓線性調(diào)節(jié)開關頻率。輸出電壓由輔助繞組和連接至 VS 引腳的電阻分壓器檢測，如圖 2所示。當輸出電壓降低時，次級二極管導通時間增加，DCM 控制會延長開關周期，從而在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)保持 DCM 運行。

2. 具有較寬輸出電壓范圍的 LED 驅(qū)動器

2.2. 系統(tǒng)設計

本小節(jié)介紹基于FL7733的單級反激式 LED 驅(qū)動器的設計步驟。選擇了50 W 離線 LED 驅(qū)動器作為設計示例。設計指標如下：

● 輸入電壓范圍： 90 ~ 277 VAC、 50 ~ 60 Hz

● 標稱輸出電壓和電流： 50 V/1.0 A

● 工作輸出電壓： 12 V ~ 50 V

● 最低頻率： 88%

● 工作開關頻率： 65 kHz

● 最大占空比： 40%

初級匝數(shù)由法拉第定律確定。Np,min是由初級繞組兩端的最小線路輸入電壓峰值和最大導通時間固定?？杀苊獯判撅柡偷淖儔浩鞒跫壎俗钚≡褦?shù)可由下式給出：[!--empirenews.page--]

其中Ae為磁心橫截面積(以 mm2為單位)，而 Bsat為飽和通量密度(以特斯拉為單位)。

根據(jù)等式(3)，初級到次級匝比由檢測電阻和輸出電流確定如下：

由于飽和通量密度隨著溫度的升高而減小，如果變壓器用于封閉外殼內(nèi)，應考慮高溫特性。

圖 3. 實現(xiàn)較寬輸出電壓范圍的 VS 電路

選擇 R1 和 R2的第一個考慮因素是將 VS設置為 2.7 V，以確保額定輸出功率下能夠以高頻率運行。第二個考慮因素是 VS 消隱。輸出電壓由輔助繞組和連接到 VS 引腳的電阻分壓器檢測。然而，在不包含 DC 母線電容器的單級反激式轉(zhuǎn)換器中，在低線路電壓下由于較小的 Lm 電流會引起 VS 電壓檢測錯誤，輔助繞組電壓無法箝位至反射的輸出電壓。在線路電壓過零點，頻率快速下降，可能導致 LED 燈閃爍。為了在整個正弦線路電壓范圍內(nèi)維持恒定頻率，VS 消隱會通過檢測輔助繞組在低于特定線路電壓 VIN.bnk時禁用 VS 采樣。第三個考慮因素是 VS 電平，應該介于 0.6 V 與 3 V 之間，以避免在寬輸出應用中觸發(fā) SLP 和 VS OVP。

由于 FL7733 的 VDD工作范圍是 8.75 ~ 23 V，如果輸出電壓低于 VOUT-UVLO (8.75×NS/NA)，應該通過觸發(fā) UVLO 關斷 MOSFET開關。因此，應該在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)12 ~ 50不觸發(fā) UVLO，從而提供合理的 VDD。通過添加外部繞組 NE和包含電壓調(diào)節(jié)器的 VDD電路，可以提供VDD。NE的設計應該確保以最低輸出電壓 (Vmin.OUT) 提供 VDD時，不會觸發(fā) UVLO。外部繞組 NE可通過下式確定：

其中，VCE.Q1是 Q1 的集電極-發(fā)射極飽和電壓，VF.D3是 D3 的正向電壓，VF.D1是最低輸出電壓下 D1的正向電壓。(10)

其中，VIN.bnk是實現(xiàn) VS 消隱的線路電壓電平，而IVS.bnk是實現(xiàn) VS 消隱的電流電平。

(11)

2.2. 設計測試結果

為了展示本應用指南中所介紹設計步驟的有效性，構建并測試了設計示例中介紹的轉(zhuǎn)換器。圖 4顯示在整個線路和輸出電壓范圍內(nèi)測得的 CC 容差。額定輸出電壓下通用線路上的 CC 低于 ±0.26 % 而整個線路和輸出電壓范圍 (12 V ~ 51 V) 內(nèi)的總 CC 調(diào)節(jié)是 ±1.23%。圖 5和圖 6 顯示分別在各種負載條件下測得的 PF和 THD 性能。

圖 4. 整個輸入和輸出電壓范圍內(nèi)的 CC 性能

圖 5. 根據(jù)負載條件變化的 PF 性能與輸入電壓

圖 6. 根據(jù)負載條件變化的 THD 性能與輸入電壓

3. 結論

為了針對各種 LED 燈規(guī)范和 LED 特性提高靈活性和兼容性，本文介紹了覆蓋較寬輸出電壓范圍的 LED 驅(qū)動器。Fairchild 的 PSR 控制器 FL7733 提供出色的高 PF 和低 THD 性能，并在非常寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供恒流調(diào)節(jié)。此外，本文中設計的 LED 驅(qū)動器可用于具有簡單設計和較低成本的各種 LED 照明燈具。