LED驅(qū)動(dòng)器中調(diào)節(jié)恒定電壓的高功率、低成本雙級(jí)解決方案

引言

目前，LED照明領(lǐng)域有一種日益流行的趨勢(shì)，即在保證高功率因數(shù)的同時(shí)，無線路頻率且具有低紋波電流。日本市場(chǎng)要求箝位電流紋波比需小于“1.3”且紋波頻率需高于100Hz；能源之星也有類似的要求，輸出工作頻率必須≥120Hz[1]。

圖1：集成LED燈的能量之星要求

CH3： VLED、CH4： ILED

圖2：17W單級(jí)中的線路頻率紋波電流

為了擁有高功率因數(shù)，單級(jí)PFCPSR-CC沒有降壓E-cap，因此不能消除線路頻率紋波電流。在部分高端照明應(yīng)用中，不能使用單級(jí)PSR-CC。傳統(tǒng)解決方案使用三級(jí)：PFC級(jí)、反激式轉(zhuǎn)換器級(jí)和次級(jí)DCDC級(jí)來解決這個(gè)問題，如圖3所示。

圖3：三級(jí)解決方案

顯然，該電路雖然性能不錯(cuò)，但是太復(fù)雜，包含太多元件，成本不夠低，太占空間。

本文中的雙級(jí)解決方案采用了PSR技術(shù)，在保證高性能（無線路頻率紋波電流和高功率因數(shù)）的同時(shí)節(jié)省了一級(jí)的成本。第1部分列出了PSR-CC和PSR-CV解決方案的電路性能分析；第2部分則解釋了如何實(shí)現(xiàn)雙級(jí)PSR-CV解決方案。第3部分解釋了雙級(jí)PST-CV解決方案原型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后一部分總結(jié)了該研究的結(jié)論。

1. 雙級(jí)解決方案

從 PSR 技術(shù)取決于控制目標(biāo)的角度來看，總共有兩種控制方法： 恒定電壓調(diào)節(jié)和恒定電流調(diào)節(jié)。

因?yàn)長(zhǎng)ED電流決定了光強(qiáng)度，因此單級(jí)

PFC PSR-CC常被用于照明應(yīng)用中。

圖4：典型的單級(jí)PSR-CC解決方案

為了消除線路頻率紋波電流，滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，我們必須使用多級(jí)解決方案。PSR技術(shù)不需要次級(jí)反饋環(huán)路和光耦合器，且其調(diào)節(jié)功能非常嚴(yán)格，才使雙級(jí)解決方案得以實(shí)現(xiàn)。

基于三級(jí)解決方案，我們可以用兩種不同的方式來采用PSR技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙極解決方案：

1.1 雙級(jí)PSR-CC

第一種雙級(jí)PSR解決方案為將反激式轉(zhuǎn)換器級(jí)與次級(jí)DCDC級(jí)結(jié)合為同一級(jí)以實(shí)現(xiàn)隔離和驅(qū)動(dòng)、LED調(diào)光功能，另一級(jí)為PFC級(jí)。如圖4所示，LED電流在初級(jí)端進(jìn)行控制，因此該解決方案又名雙級(jí)PSR-CC。

圖4：雙級(jí)PSR-CC解決方案

雙級(jí)PSR-CC解決方案市場(chǎng)反應(yīng)良好，特別是在切向調(diào)光領(lǐng)域----調(diào)光信號(hào)來自于交流線路。但是在模擬或PWM調(diào)光中，情況則完全不同。由于調(diào)光功能是在初級(jí)端完成的，從安全角度考慮，該解決方案需要變壓器來隔離調(diào)光信號(hào)。由于是初級(jí)調(diào)光，調(diào)光控制比較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。此外，由于PSR-CC而導(dǎo)致的相對(duì)較弱的CC調(diào)節(jié)是高端照明應(yīng)用中的弱點(diǎn)。調(diào)光范圍也是該拓?fù)湫枰紤]的另一個(gè)問題。

1.2 雙級(jí)PSR-CV

基于單級(jí)解決方案和雙級(jí)PSR-CC解決方案，另一個(gè)適合無線路頻率電流紋波應(yīng)用的新型雙級(jí)結(jié)構(gòu)也隨之面世。該結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)在于將PFC級(jí)與反激式轉(zhuǎn)換級(jí)結(jié)合為同一級(jí)來實(shí)現(xiàn)眾所周知的PFC和隔離功能[2]。與PSR-CC相比，其主要區(qū)別在于該單級(jí)僅控制次級(jí)輸出電壓，并不控制輸出電流，因此被命名為PSR-CV。右邊是用于驅(qū)動(dòng)或?qū)ED進(jìn)行調(diào)光的DCDC級(jí)。如圖5所示，雙級(jí)PSR CV具有非常明顯的功能級(jí)： PFC功能在初級(jí)端實(shí)現(xiàn)，而LED驅(qū)動(dòng)則在次級(jí)端實(shí)施，降低了電路的難度，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

圖5：雙級(jí)PSR-CV解決方案

雙級(jí)PSR-CV解決方案不僅維持了雙級(jí)PSR-CC的品質(zhì)，還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)。首先，LED電流控制非常簡(jiǎn)單，并且由于次級(jí)DCDC級(jí)直接控制了LED電流，該解決方案的LED電流也更加精確。其次，對(duì)于調(diào)光應(yīng)用來說，任何介于0~10V之間的模擬調(diào)光或PWM調(diào)光均可在次級(jí)DCDC級(jí)無需任何隔離地輕松實(shí)現(xiàn)。第三，成本低于PSR-CC。與PSR-CC相比，我們可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)將PFC級(jí)移入了次級(jí)DCDC級(jí)。眾所周知，PFC級(jí)包含了高壓器件， 但在次級(jí)DCDC級(jí)中包含的卻是低壓器件。最后，PSR-CV解決方案給用戶提供了更高的靈活性。例如，我們可以在PSR-CV級(jí)中增加待機(jī)電源功能，來在LED未連接時(shí)實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗?；蛘撸覀兛梢詾槎啻畱?yīng)用選擇適合的DCDC。

該解決方案唯一的缺點(diǎn)是PSR-CV輸出電壓調(diào)節(jié)不是非常嚴(yán)格，但是我們可以通過選擇寬輸入范圍的次級(jí)DCDC來克服該問題。

2. PSR-CV工作原理

目前，PSR-CV通過在輔助繞組上控制電壓來實(shí)現(xiàn)。一旦控制了輔助繞組電壓，輸出電壓就可以通過變壓器耦合來設(shè)置。因此，為了擁有精確的輸出電壓，如圖6所示，我們需要直接控制輔助繞組端的電壓。

圖6：簡(jiǎn)化了的精確PSR-CV控制

在整流二極管導(dǎo)通期間，輸出電壓與二極管前向電壓降的和在輔助繞組端反應(yīng)為 (Vo+VF) ? Naux / Ns。由于二極管正向壓降隨著電流的減小而減小，輔助繞組端電壓在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)最能反映輸出電壓，此時(shí)二極管電流減小至零。通過在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)對(duì)繞組電壓進(jìn)行采樣，可以獲得更精確的輸出電壓信息。

圖7：PSR-CV控制中的主要波形

由于輔助繞組端的電壓降在單次切換期間上下波動(dòng)，我們需要先找出采樣點(diǎn)，然后使用采樣/保持電路，，之后再將感應(yīng)電壓與內(nèi)部精密參考電壓進(jìn)行比較?？傊?，控制邏輯比較復(fù)雜。

另一種比較容易實(shí)現(xiàn)的方式是如圖8所示，我們可以通過PFC控制器的誤差放大器來控制整流輔助繞組電壓。該方式的缺點(diǎn)是輸出電壓相對(duì)不那么精確。

圖8：簡(jiǎn)單的PSR-CV控制

然而，這是在簡(jiǎn)單控制與精密輸出電壓之間的一種折中。在雙級(jí)PSR-CV解決方案中，第一級(jí)的輸出電壓精密度并不是很重要，我們可以通過選擇寬輸入范圍的次級(jí)DCDC來克服該缺點(diǎn)。

3. 測(cè)試結(jié)果和波形測(cè)量

我們?cè)诰哂蠴VP功能的單PFC控制器FL6961的基礎(chǔ)上制作了一塊評(píng)估板，該功能可進(jìn)行更改，用于實(shí)施PSR-CV和具有極寬輸入范圍的高壓降壓控制器FL7701[3]。

圖9：PSR-CV加DCDC的完整解決方案

有了PSR-CV解決方案，我們可以輕松的生成一個(gè)次級(jí)CV電源，通過為次級(jí)端的輔助繞組加載來給MCU等其他附件進(jìn)行供電。

通過PSR-CV Vcc調(diào)節(jié)，我們可以看到，在整個(gè)輸出負(fù)載范圍內(nèi)CV的精確度可以實(shí)現(xiàn)±4.25% CV容差。如果消除光負(fù)載電壓的漂移（由突發(fā)模式導(dǎo)致），CV精度將增加至±1.1%。

圖10：CV性能

通過使用FL7701，可以輕松地建立帶內(nèi)部模擬調(diào)光功能的降壓DCDC。因此完整的解決方案具有極低的紋波電流。

結(jié)論

本文介紹并開發(fā)了一種 新型雙級(jí)PSR-CV解決方案，在保證電路簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)等品質(zhì)的同時(shí)，無線路頻率電流紋波且具有高功率因數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所建議的雙級(jí)PSR-CV解決方案是高端LED模擬調(diào)光和PWM調(diào)光應(yīng)用的理想選擇。未來，我們將會(huì)增加新的功能，如在初級(jí)端增加待機(jī)電源來實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗，以符合LED驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)。