基于PFC方案的LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)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(chǎng)主流?，F(xiàn)有的照明用LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)門檻。

要達(dá)到上述這些要求，市場(chǎng)必然要求有一款功能全面、性能優(yōu)異的芯片，同時(shí)，這也對(duì)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(gè)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(wú)論對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源功率較小，器件的應(yīng)力裕度較大，加之其對(duì)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：

式中：n=Np/ Ns為原副邊匝比；IP為原邊峰值電流。

由公式（1）可知，要使輸入電流峰值IP跟隨輸入電壓Vm做正弦變化，只要讓ton在一個(gè)正弦半波時(shí)間內(nèi)保持恒定就能做到。另一方面，如果采用乘法器方案，強(qiáng)制讓IP跟隨Vm變化，則ton必然在一個(gè)正弦半波周期內(nèi)保持恒定。前者稱之為固定導(dǎo)通時(shí)間PFC方案。其優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省Vins的采樣電阻，節(jié)省芯片管腳，提高系統(tǒng)效率。但由于實(shí)現(xiàn)PFC是靠DCM和原邊起始電流為0這兩個(gè)先決條件保證的，所以在CCM或非準(zhǔn)諧振模式工作的系統(tǒng)中應(yīng)用受限。后者稱之為乘法器PFC方案。其優(yōu)點(diǎn)是不受工作模式及原邊電流起始值的影響，只需考慮最后的電流峰值是否跟蹤輸入電壓。這是一種更為直接的控制，能夠得到更高的PF值。但這同時(shí)也增加了芯片設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)難度，需要保證乘法器的寬廣線性度和THD等指標(biāo)，并且也增加了芯片面積。PT4209為了得到更好的系統(tǒng)性能，采用了乘法器PFC方案。

表1:PF值。

為了節(jié)省副邊反饋網(wǎng)絡(luò)和光耦等元件，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，一般電路采用PSR（原邊反饋）控制方式。該法適用于對(duì)輸出精度、輸入調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率要求不高，負(fù)載不會(huì)突然變化的場(chǎng)合，并且該法在輸入突變時(shí)也加快了系統(tǒng)的保護(hù)。LED驅(qū)動(dòng)電源正好滿足上面的應(yīng)用條件。其副邊電流反饋公式為：

表2：輸入電壓調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率

芯片采樣Vcs和tdis/T兩個(gè)信號(hào)，再將兩個(gè)信號(hào)相乘和Vref相比較；兩者的差值經(jīng)過(guò)一個(gè)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(hào)，芯片以此來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。其芯片內(nèi)部的邏輯框圖如圖1所示。

圖1:PT4209內(nèi)部的邏輯框圖。

在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，為了最大限度減小開(kāi)關(guān)損耗，希望在Vds最小時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)管。這就要求芯片有谷底檢測(cè)的功能，即所謂的準(zhǔn)諧振控制。其諧振周期由變壓器原邊電感Lp與MOS管輸出電容Cd （或稱Coss）共同決定，公式為：

系統(tǒng)參數(shù)及原理圖

PT4209的功率應(yīng)用范圍為5W~30W.以一款應(yīng)用于PAR38燈具的16W驅(qū)動(dòng)電源為例，系統(tǒng)的性能參數(shù)如下：輸入電壓85V~264V;輸出電壓3.2V*16=51.2V（16個(gè)LED串聯(lián)）；輸出電流320mA;變壓器骨架選擇PQ2016，原邊電感量選0.65mH，保證在264V高壓輸入下，最高開(kāi)關(guān)頻率小于150kHz.系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2:16W PAR38燈具電路原理圖。

PF值的影響因素及提高手段

系統(tǒng)PF值的高低，主要與輸入電流和輸入電壓的相角差和輸入電流的THD兩個(gè)因素有關(guān)。計(jì)算公式為：

其中：V1、I1為基波有效值；Vin、Iin為總的有效值。

其中：Ik為k次諧波的有效值。

故

首先，芯片控制的是輸入峰值電流的正弦化，而PF計(jì)算的是平均電流的正弦化，這里相差一個(gè)占空比D.公式為：

其中：ton、Lp、Vr在一個(gè)周期內(nèi)恒定，所以

，并不是一個(gè)正弦，而是一個(gè)削頂?shù)臏?zhǔn)正弦波形。這勢(shì)必會(huì)影響一些PF值，這也就是峰值電流控制的芯片PF值始終不能達(dá)到1的根本原因。

接下來(lái)，由上面的邏輯框圖可知，要保證乘法器的輸出是一個(gè)良好的正弦波形，這個(gè)和三個(gè)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(guò)大，否則會(huì)使得上電后抽取過(guò)多Vcs電容的能量而導(dǎo)致UVLO出現(xiàn)。選擇過(guò)小，則會(huì)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(guò)大的話，電容上的充放電電流會(huì)和原邊電流疊加，也會(huì)使得輸入電流向前偏。但Cin也不能太小，否則會(huì)使得輸入電壓的開(kāi)關(guān)紋波變大。極端情況下，僅靠Cin已不足以維持一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)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(shí)，過(guò)小的Cin也不利于對(duì)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(méi)有考慮THD的影響。首先，乘法器要有良好的THD;再次，開(kāi)關(guān)頻率要盡可能抬高來(lái)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(gè)因素影響：一是每個(gè)周期Vcs的峰值檢測(cè)。由于芯片內(nèi)部比較器的延時(shí)等因素，真正檢測(cè)到最終的峰值難度很大（往往檢測(cè)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(cè)，其關(guān)鍵又在于tdis的檢測(cè)。tdis的檢測(cè)一個(gè)是開(kāi)始點(diǎn)的確定，一個(gè)是結(jié)束點(diǎn)的確定。

PT4209中以DET腳超過(guò)1.25V為開(kāi)始點(diǎn)的起始點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)和實(shí)際的真實(shí)開(kāi)始點(diǎn)略有超前（相當(dāng)于加進(jìn)去一個(gè)tdis的小量），正好補(bǔ)償因?yàn)閂cs的峰值檢測(cè)漏掉的一點(diǎn)峰值。此外，這個(gè)上升時(shí)間量和Vin+ Vr/sub》大小成正比，所以就算對(duì)線調(diào)整率有影響也非常有限。另一端，如何判斷tdis時(shí)間的結(jié)束，無(wú)論對(duì)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(cè)到該點(diǎn)有一定難度，市面上一般的芯片都只是簡(jiǎn)單地采取判斷DET腳過(guò)零來(lái)近似認(rèn)為是tdis的結(jié)束。好一點(diǎn)的芯片會(huì)在內(nèi)部減去一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)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(duì)地掛電容來(lái)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(gè)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(duì)不同系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

此外，對(duì)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(gè)元件組成的回路要盡可能??；芯片DRV腳、Rdrv和MOS管G極組成的驅(qū)動(dòng)回路也要盡可能短。這樣才能保證Vcs的峰值檢測(cè)盡可能準(zhǔn)確。

系統(tǒng)效率和啟動(dòng)時(shí)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(kāi)通的方式，在低壓甚至零壓時(shí)開(kāi)通MOS管，極大降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗。實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)的開(kāi)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(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)損耗。但該法會(huì)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(duì)于輸出電壓紋波有小于5%（一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）的要求，輸出電容會(huì)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?wèn)題一般要選1M以上，更加減慢了上電時(shí)間。PT4209借鑒了開(kāi)關(guān)電源中常用的加速啟動(dòng)的方法，上電后強(qiáng)制拉高Vcomp值，啟動(dòng)時(shí)原邊以O(shè)CP方式工作。然后，再通過(guò)閉環(huán)控制將Vcomp值降到正常值。通過(guò)此方法，能夠使得系統(tǒng)在全電壓輸入范圍內(nèi)，將啟動(dòng)時(shí)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(huì)造成LED啟動(dòng)過(guò)流的現(xiàn)象，但由于人眼的視覺(jué)暫留，一般很難被人眼所察覺(jué)。同時(shí)，系統(tǒng)也可以通過(guò)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(shí)對(duì)應(yīng)的Vout抬高等多種手段，避免過(guò)沖的發(fā)生。

系統(tǒng)測(cè)試波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)測(cè)試波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。實(shí)測(cè)LED啟動(dòng)時(shí)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(gè)調(diào)光功能，調(diào)光信號(hào)從DIM腳輸入，能夠輕松做到1%以下的調(diào)光精度，整個(gè)調(diào)光過(guò)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(rùn)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(wú)閃爍TRIAC調(diào)光。上述兩款芯片的詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和測(cè)試數(shù)據(jù)可以參考PT4209、PT4208的芯片手冊(cè)和應(yīng)用說(shuō)明。

圖3：系統(tǒng)測(cè)試波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文小結(jié)

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(duì)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(dòng)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(dòng)（《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(dòng)芯片。
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