非隔離取代隔離是必然趨勢(shì)

文章首先剖析了目前市場(chǎng)最大用量主流的3W LED球泡燈方案，隔離3×1W。提出這種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，基于這種優(yōu)缺點(diǎn)，提出了日后方案的市場(chǎng)發(fā)展方向。中國(guó)LED標(biāo)準(zhǔn)的選擇，將基于市場(chǎng)上最優(yōu)化的方案。順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展，本文應(yīng)用上海占空比半導(dǎo)體公司的DU8613芯片，基于非隔離BUCK拓?fù)涮峁┝艘环N3W球泡燈LED恒流控制驅(qū)動(dòng)方案，并提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)波形圖，并且展望了非隔離驅(qū)動(dòng)的發(fā)展空間。

1 引 言

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(shì)所趨。更高的效率的實(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(lái)動(dòng)力。目前中國(guó)LED標(biāo)準(zhǔn)尚未確立，因?yàn)槭袌?chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，目前市場(chǎng)3W隔離驅(qū)動(dòng)方案可以達(dá)到極低成本，但存在一些問題。

2 市場(chǎng)目前主流3W驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)介

3W LED球泡燈是目前消費(fèi)需求量最大的市場(chǎng)之一，目前主流的方案是3×1W，每個(gè)燈珠3.3V300mA，通過3個(gè)燈珠串聯(lián)方式形成負(fù)載，輸出負(fù)載為10V/300mA. 由于電網(wǎng)電壓整流后和此輸出負(fù)載電壓相差較大，所以最適合的方式是通過反激隔離降壓驅(qū)動(dòng)。然而隔離電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件較多，成本較高，效率較低，可靠性較低，不適合批量生產(chǎn)。與隔離電路相對(duì)地，非隔離電路線路簡(jiǎn)單，所用器件少，體積小，成本較低，效率較高。隨著市場(chǎng)對(duì)成本和效率的要求，非隔離電路在小功率LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域開始登上舞臺(tái)。

3 DU8613集成開關(guān)簡(jiǎn)化線路實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)3WLED球泡燈恒流控制

DU8613是一款連續(xù)電流工作模式的降壓式恒流控制器，具有3%的系統(tǒng)恒流精度，內(nèi)部集成了500V高壓MOSFET，在一定程度上簡(jiǎn)化了外圍電路，并且設(shè)定了采樣電阻開路、短路保護(hù)，輸出過流、短路保護(hù)，過溫保護(hù)等保護(hù)功能。DU8613是基于TRUEC2技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)高精度的恒流控制方法，專門用于3WLED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)的芯片。圖1所示是利用該芯片實(shí)現(xiàn)的一種降壓驅(qū)動(dòng)方案。如圖1芯片CS端檢測(cè)到的電感電流信號(hào)經(jīng)過專利技術(shù)處理，如圖2中的TRUEC2閉環(huán)恒流控制模塊，就得到電感電流(即輸出電流)的平均值。芯片通過檢測(cè)到的不同的輸出電流平均值控制開關(guān)管占空比，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1：全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電源參考示意圖

圖2：DU8613內(nèi)部功能圖

圖3：DU8613球泡燈應(yīng)用實(shí)物圖及其PCB布線圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們選擇一個(gè)典型的LED球泡燈應(yīng)用來(lái)做IC功能的驗(yàn)證，基本電參數(shù)如下：

輸入電壓范圍：180~265VAC/50Hz 典型效率：>88%

輸出電壓范圍：3~52VDC 輸出電流：60mA

標(biāo)稱輸出功率：3W

對(duì)于輸入電壓、負(fù)載LED變化情況下，我們測(cè)試得到如下線性、負(fù)載調(diào)整率結(jié)果：

圖4：系統(tǒng)線性調(diào)整率

圖4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，有效抑制了電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)。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(jiǎn)單即完美的哲學(xué)在此設(shè)計(jì)中再一次體現(xiàn)。

圖5：系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率

圖5中的系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率為0.3%，它的實(shí)際意義是多套燈負(fù)載可以用一套電源。例如12串LED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(duì)于電源廠，在生產(chǎn)中對(duì)于備料、庫(kù)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6：電感調(diào)整率

市面上的傳統(tǒng)芯片利用開環(huán)的控制技術(shù)——固定Toff的控制技術(shù)，電流推導(dǎo)公式如下：

平均電感電流：ILav=ILpk-(1/2)×ILr

ILpk為電感峰值電流：ILpk=Vcs/Rcs

ILr為電感紋波電流：ILr=(Vout/L)×Toff

如果采用傳統(tǒng)芯片，電感的變化會(huì)引起輸出電流的變化,然而在批量生產(chǎn)時(shí)電感的一致性很難控制。圖6顯示，采用DU8613芯片，在不同的功率電感下，仍然能保持輸出電流恒定，因此降低了電感一致性的要求，有利于電感的批量采購(gòu)，從而降低采購(gòu)成本。

圖7：效率曲線

圖8：市場(chǎng)某公司隔離3WLED驅(qū)動(dòng)方案效率曲線

圖4、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±0.3%。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顯示，適當(dāng)調(diào)整輸入，輸出標(biāo)稱功率3w的時(shí)候，系統(tǒng)效率可以在88%以上，即使是在全電壓輸入范圍內(nèi)效率也能達(dá)到86%以上。圖8為市場(chǎng)某隔離3W方案的效率曲線。對(duì)比表明，對(duì)于小功率LED球泡燈，非隔離從節(jié)能角度相對(duì)于隔離是一種巨大進(jìn)步，如果折算到全球球泡燈耗電，這種節(jié)能減排的效果，是相當(dāng)可觀的。

實(shí)驗(yàn)表明，DU8613采用全閉環(huán)恒流控制能夠?qū)崿F(xiàn)高精度恒流控制，應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)3W的球泡燈，總BOM成本低于1.5元。這個(gè)成績(jī)跟某些阻容降壓或者恒流二極管方案相當(dāng)，而且它的線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、系統(tǒng)效率，以及沒有任何工頻紋波的輸出恒流效果，使該芯片占有有利的優(yōu)勢(shì)。并且電路板器件少焊接容易，有利于批量生產(chǎn)。由于芯片全電流反饋對(duì)外界條件的依耐性弱的特點(diǎn)，在原料采購(gòu)上既方便又可以降低成本。

5 趨勢(shì)展望

順應(yīng)市場(chǎng)的需要，降低成本、提高效率和可靠性已經(jīng)成為每個(gè)企業(yè)最求的目標(biāo)。

采用隔離反激變換器的電路比較復(fù)雜，變壓器存在較大損耗，進(jìn)而效率較低。LED本身是一種節(jié)能環(huán)保的新興替代光源，針對(duì)目前市場(chǎng)使用較多的3×1W隔離方案，是基于市場(chǎng)主流燈珠搭配而產(chǎn)生的，但是70%左右的效率令人失望，如果驅(qū)動(dòng)電源沒有足夠高的轉(zhuǎn)換效率，談何節(jié)能環(huán)保？

非隔離電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件少、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，鑒于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，非隔離電路將漸漸取代隔離電路在小功率LED驅(qū)動(dòng)電源的地位，成為這種驅(qū)動(dòng)電源的主流。基于上海占空比公司的DU8613的驅(qū)動(dòng)方案在保證成本足夠低的基礎(chǔ)上，帶來(lái)了恒流精度高，效率高的優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為，非隔離、小電流的特性正順應(yīng)了市場(chǎng)的需要，必然會(huì)逐步取代隔離方案。