LED驅(qū)動的原邊反饋

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，LED燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。LED驅(qū)動電源目前正朝著高功率因數(shù)、高輸出電流精度、高效率、高可靠性和低成本、小尺寸方向發(fā)展，因此，帶PFC(功率因數(shù)校正)的原邊電流反饋準(zhǔn)諧振技術(shù)方案已漸漸成為市場主流。

現(xiàn)有的照明用LED驅(qū)動電源目前標(biāo)準(zhǔn)仍有待統(tǒng)一，但PFC在全電壓范圍內(nèi)做到0.95以上、輸出電流精度做到±3%以內(nèi)、效率做到90%以上、啟動時間在0.5s以內(nèi)、輸出電壓紋波小于5%等，已經(jīng)成為一些業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的芯片供應(yīng)商設(shè)置的技術(shù)競爭門檻。要達(dá)到上述這些要求，市場必然要求有一款功能全面、性能優(yōu)異的芯片，同時，這也對系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。本文從芯片和系統(tǒng)兩個層面，詳細(xì)分析了影響上述性能的原因和提高各項(xiàng)性能的手段，并給出了實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)。無論對于LED驅(qū)動芯片設(shè)計(jì)者還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，都具有一定的參考意義。

基本原理

LED驅(qū)動電源功率較小，器件的應(yīng)力裕度較大，加之其對尺寸有嚴(yán)格要求，需采用盡可能小的原邊電感量，因此，它一般采用DCM峰值電流控制PFC的方式。其原、副邊的電流方程為：芯片采樣Vcs和tdis/T兩個信號，再將兩個信號相乘和Vref相比較;兩者的差值經(jīng)過一個跨導(dǎo)放大器(gm)和Ccomp電容濾波，再將濾波的結(jié)果和Vin的采樣結(jié)果Vins一起送入到乘法器相乘;乘法器輸出即為Vcs的給定信號，芯片以此來控制開關(guān)管的關(guān)斷。

接下來，由上面的邏輯框圖可知，要保證乘法器的輸出是一個良好的正弦波形，這個和三個因素有關(guān)：第一是Vcomp電容要足夠大，才能濾去100Hz的工頻紋波。但該電容也不能選擇過大，否則會使得上電后抽取過多Vcs電容的能量而導(dǎo)致UVLO出現(xiàn)。選擇過小，則會出現(xiàn)輸入電流波形向前偏的現(xiàn)象，且該現(xiàn)象因?yàn)檩斎腚妷旱纳叨遮厙?yán)重。因?yàn)閂comp上紋波大小不變，但穩(wěn)態(tài)值變小，相應(yīng)紋波所占比例越大。第二是整流橋后端電容Cin要足夠小，才能保證良好的正弦波形。

此外，電容過大的話，電容上的充放電電流會和原邊電流疊加，也會使得輸入電流向前偏。但Cin也不能太小，否則會使得輸入電壓的開關(guān)紋波變大。極端情況下，僅靠Cin已不足以維持一個開關(guān)周期的開通，而前端又有電感使得電流不能突變，從而導(dǎo)致輸入電流波形紊亂。同時，過小的Cin也不利于對差模干擾的抑制。第三，乘法器要求有寬廣的線性度。上面解決的是cos?,而沒有考慮THD的影響。首先，乘法器要有良好的THD;再次，開關(guān)頻率要盡可能抬高來降低輸入電流紋波;最后，在電源進(jìn)線端要選擇電感匹配，這樣才能做到高的PF值。

恒流精度的影響因素和提高手段

根據(jù)公式(3)，恒流精度受兩個因素影響：一是每個周期Vcs的峰值檢測。由于芯片內(nèi)部比較器的延時等因素，真正檢測到最終的峰值難度很大(往往檢測值都要小于真實(shí)的峰值)。這也是影響系統(tǒng)線調(diào)整率的主要因素。二是tdis/T的檢測，其關(guān)鍵又在于tdis的檢測。tdis的檢測一個是開始點(diǎn)的確定，一個是結(jié)束點(diǎn)的確定。

PT4209中以DET腳超過1.25V為開始點(diǎn)的起始點(diǎn)。這個點(diǎn)和實(shí)際的真實(shí)開始點(diǎn)略有超前(相當(dāng)于加進(jìn)去一個tdis的小量)，正好補(bǔ)償因?yàn)閂cs的峰值檢測漏掉的一點(diǎn)峰值。此外，這個上升時間量和Vin+ Vr/sub>大小成正比，所以就算對線調(diào)整率有影響也非常有限。另一端，如何判斷tdis時間的結(jié)束，無論對于PSR恒壓還是恒流，都是至關(guān)重要的一環(huán)。由于真正檢測到該點(diǎn)有一定難度，市面上一般的芯片都只是簡單地采取判斷DET腳過零來近似認(rèn)為是tdis的結(jié)束。好一點(diǎn)的芯片會在內(nèi)部減去一個預(yù)先設(shè)定好的時間，但一旦系統(tǒng)選擇不一樣的參數(shù)，則補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果不是偏大就是偏小。有些還需要在MOS管DS兩端掛電容或在DET腳對地掛電容來進(jìn)行補(bǔ)償。

PT4209采用了先進(jìn)的自適應(yīng)判斷方法。在輸出二極管關(guān)斷后，芯片內(nèi)部記錄振蕩周期，并將其補(bǔ)回到下一個周期的tdis的計(jì)算中。這樣做不僅可以保證精確的采到tdis,系統(tǒng)不需要增加任何元件，也使得芯片對不同系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。此外，對于PCB的走線，Rcs的地要和芯片地接在同一點(diǎn);整流橋后端電容、變壓器原邊、MOS管和Rcs四個元件組成的回路要盡可能小;芯片DRV腳、Rdrv和MOS管G極組成的驅(qū)動回路也要盡可能短。這樣才能保證Vcs的峰值檢測盡可能準(zhǔn)確。

系統(tǒng)效率和啟動時間的影響因素和提高手段

前文已經(jīng)提到，PT4209采用準(zhǔn)諧振開通的方式，在低壓甚至零壓時開通MOS管，極大降低了開關(guān)管的開通損耗。實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)時，在保證MOS耐壓安全的前提下，可以盡量提高反射電壓Vr的值，進(jìn)一步降低高壓輸入時的開關(guān)損耗。適當(dāng)增加RCD snubber(電壓關(guān)斷型緩沖器)電路的Vclamp值，減小Rdrv值，也能加快開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗。但該法會惡化系統(tǒng)EMI性能，需要折中考慮。

另外，由于PT4209這類芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)，原邊需要進(jìn)行PFC.輸入電容較小，抑制輸入交流紋波的任務(wù)落在了輸出電容之上，加之對于輸出電壓紋波有小于5%(一級標(biāo)準(zhǔn))的要求，輸出電容會選擇的較大。這樣要使上電后不出現(xiàn)UVLO,Vcc電容也要適當(dāng)加大，而Rst電阻因?yàn)樾蕟栴}一般要選1M以上，更加減慢了上電時間。PT4209借鑒了開關(guān)電源中常用的加速啟動的方法，上電后強(qiáng)制拉高Vcomp值，啟動時原邊以O(shè)CP方式工作。然后，再通過閉環(huán)控制將Vcomp值降到正常值。通過此方法，能夠使得系統(tǒng)在全電壓輸入范圍內(nèi)，將啟動時間控制在0.5s以內(nèi)。這樣做在一些特定的系統(tǒng)中，可能會造成LED啟動過流的現(xiàn)象，但由于人眼的視覺暫留，一般很難被人眼所察覺。同時，系統(tǒng)也可以通過減小Ccomp、增大Vins采樣分壓變比 、增大Cout、降低Vr或?qū)ET腳1.25V時對應(yīng)的Vout抬高等多種手段，避免過沖的發(fā)生。

系統(tǒng)測試波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)測LED啟動時間小于0.5s,效率高于90%.另外，PT4209還具有PWM調(diào)光、模擬調(diào)光兩個調(diào)光功能，調(diào)光信號從DIM腳輸入，能夠輕松做到1%以下的調(diào)光精度，整個調(diào)光過程線性度也非常好。如果用戶需要帶可控硅調(diào)光的功能，在PT4209的基礎(chǔ)上，華潤矽威公司又同步推出了帶可控硅調(diào)光的芯片PT4208.該芯片所需外圍元件較少，真正做到了無閃爍TRIAC調(diào)光。上述兩款芯片的詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和測試數(shù)據(jù)可以參考PT4209、PT4208的芯片手冊和應(yīng)用說明。

本文詳細(xì)分析了帶PFC的原邊反饋準(zhǔn)諧振芯片PT4209系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干難點(diǎn)，并對于如何提高系統(tǒng)PF值、輸出電流精度及系統(tǒng)效率，做了詳細(xì)的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用PT4209芯片的LED驅(qū)動系統(tǒng)具有高功率因數(shù)(>0.95)、高恒流精度(<±3%)、高效率(>90%)和快速啟動(<0.5s)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

該芯片是一款十分優(yōu)秀的LED恒流驅(qū)動芯片。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。