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针对35W以下的LED照明应用 可达控制成本效益解决方案
 

【作者: Alexander Craig】2013年06月21日 星期五

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典型的低功率 LED 解决方案多采用单串 LED,或为 LED 驱动器提供单一输入和输出控制点。 这些驱动器必须执行任何 LED 电源供应器的基本功能,例如功率调节、功率转换及负载控制。 高功率解决方案可以利用特定的阶段来执行这些功能。 35W 以下的低功率解决方案(例如灯泡)必须尽量以较少的阶段执行全部三项功能,因为成本和空间十分昂贵。


低功率 LED 设计的挑战,在于能够达成由安规标准所制定的功率调节, 同样取决于安规标准的功率转换则必须安全有效, 以及再加入绝佳的负载控制, 此包括取决于市场接受度的恒定电流调节和调光精度。 FL7730 和 FL7732 皆能有效达成上述平衡,并在单一阶段执行全部三项功能。 有了这些解决方案,全部三项功能之间会产生明显的相互影响。 为了了解这些解决方案,我们将首先并着重于说明功率调节和功率转换。 负载控制的相互影响会出现于功率调节,但是为了符合功率调制标准和市场需求,了解如何达成功率调节(例如 EMI 需求和功率因子)则至关重要。 接下来是了解负载控制,例如故障保护、恒定电流控制及调光。


返驰式设计(Flyback)多用于低功率隔离 LED 电源供应器,但是并非所有Flyback皆相同。 Flyback的运作和调节将影响系统效能和成本。 用于低功率电源供应器的典型Flyback不具备功率因子校正功能,且在桥式整流器之后会有一个高压电解电容器。 这些电源供应器通常为次级侧调节 (Secondary Side Regulated, SSR),意指其具备光耦合器、参考电压,以及可响应负载电荷的 1kHz 快速回路带宽。 此类Flyback并不适用于 LED 照明,理由有二: 不具备功率因子校正功能,且通常设定为稳压电源供应器,因为恒定电流驱动 LED 的效果较佳。


在单级返驰是 PFC 中,藉由使用固定式变动切换频率方式的边界或临界传导模式 PFC 控制器,可获得优质的功率因子。 此特性可提升和维持功率因子,但会增加变压器之圈数比「n」和输出电压的限制。 方程序 1 说明输入电流为相角的函数。


此方法一般利用 SSR 恒定电流控制方式,以直接测量负载电流和电压。 测量负载电流时会造成功率损耗,但可获得些许优质的恒定电流控制,不过还需要光耦合器。 这些电源供应器以大约 20Hz 的低回馈回路运作,因其为非动态,因此适合 LED 负载。 使用低电压(LED 串电压)电容器时,可让典型返驰式设计中的高压电解电容器完成储能的动作。


为了因应单级返驰 PFC 的成本限制,有些人已尝试使用搭配被动 PFC 的初级侧调节 (PSR) 返驰式设计。 此方法可以减少 SSR 上的功率损耗及 MOSFET 上的电压压力,但是其制程在初级侧采用 HV 电容器及其他零件,会限制功率因子、使用寿命及尺寸。


为了让 LED 应用能够达到具成本效益的功率调节、功率转换及负载控制平衡,FL7730 和 FL7732 采用了新的方法。 此两款 PWM 控制器采用不同类型的单级拓朴和初级侧调节,能以较少的组件制造隔离式 LED 驱动器,不需高压输入电容器或 SSR 回馈电路即可有效降低成本。 请参阅图 1 经过简化的整体电路图。



图一 : 图 1
图一 : 图 1

为了获得优质的功率因子及低 THD,Flyback以导通时间恒定的固定频率,透过半正弦波于 DCM 中运作。 透过此方法,优质的功率因子将不需要高反射电压,因此可以使用较便宜的 600V MOSFET 来取代昂贵的 800 或 900V MOSFET。


FL7730 及 FL7732 的中央为 PSR 负载控制功能区块, 此独特的电路称为 TRUECURRENT 控制,并已通过充电器等应用产品的验证。 透过在 TRUECURRENT 控制中加入两个关键特性,FL7732 及 FL7730 能够准确地调节输出电流,以因应输入电压、输出电压的变动及激磁电感变化。 针对 FL7730 设计,此装置也支持简单但有效的调光。


TRUECURRENT 控制区块的基本运作如图 2 和方程序 2 所示。



图二 : 图 2
图二 : 图 2

方程序 2 说明输出电流是如何由二极管峰值电流和变压器所储存之能量的放电时间所决定。 输出电流 (IOUT) 为稳定状态之二极管电流的平均值,是使用由电流感测电阻器所测量的峰值电感电流估计而得,其来源为 MOSFET 及电感电流放电时间 (Tdis),是由图 1 所示的 VS pin 测量而得。因为输出电流 (IOUT) 为稳定状态之二极管电流的平均值, 选择适当的电流感测电阻器 (RCS ),可测量峰值汲极电流值和峰值检测电路。 IOUT 是透过电感放电时间计算所得,并且可在 VS pin 中测量出来。 当二极管电流归零时,VS pin 的电压会开始急速下降,如图 1 所示。这些切换期间 (TS) 的测量和知识,是 TRUECURRENT 控制区块的要素。


这些输出信息会与精确的内部参照比较而产生错误电压 (VCOMI),以确定恒定电流模式运作之 MOSFET 的工作周期 (Q1)。 此创新技术在于 FL7732 及 FL7730 如何精确控制恒定电流输出。 如图 4 和表 1 所示,其为使用评估板所得的测量结果,显示在 11V 至 28V 宽广的输出电压范围之间的恒定电流误差,低于每一线性输入电压的 2.1%。


针对照明所加入的第一个关键特性,是接收来自 VS pin 之线性电压的信息,并将其用于修改峰值电流电路的线性补偿器。 此创新解决方案可在宽广的输入电压范围之间,提供极些微的允差和恒定电流调节。 如图 4 和表 2 所示,其为使用评估板所得的测量结果,显示在额定输出电压 (24V) 时,宽广线性调节中的恒定电流误差低于 2.1%。



图三 : 恒定电流调节
图三 : 恒定电流调节

针对照明所加入的第二个关键特性为调光控制功能,如图 1 所示。透过简易型电阻分配器网络和 RC 滤波器,将 AC 线性电压的工作周期转换成 DC 电压,其位于 FL7730 的 DIM pin,如图 5 所示。双角度 (two-angle) 控制区块用于补偿电流感测,并作为 TRUECURRENT 计算区块的输入。 此相较于特定调光角度的高阶调光控制,其等于低 RMS 输入电压。 此控制 LED 强度的方法虽简单但有效,几乎适用于各种型式的调光控制,包括最困难的 TRIAC 调光, 或是简单的 DC 输入解决方案或 PWM 输入解决方案,可经过滤波以产生 DC 电压。 DIM pin 之 pin 5 所产生之电压间的关系,如图 6 所示。有关负载控制和调光的详细解释,将会在尔后的文章中说明。 更多 TRIAC 调光的详细信息,请参阅应用指南 http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9745.pdf。


(本文由Fairchild提供)


图四 : 图4
图四 : 图4

图五
图五
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