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一款用于通用照明的非隔离降压式LED驱动器 |
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作者：华润矽威科技 欧炫宏 来源：电子工程专辑 |
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随着人们生活水平提高，能源消耗越来越大，节能环保已成为全球可持续发展的重要话题。据世界能源组织统计，通用照明用电占全球用电总量的19%，而且比率还在增加。解决这种电能需求而又保证节能环保的最好办法就是提高能效。LED具有高能效（>120流明/瓦特），长寿命（超过50,000小时的工作寿命），利环保（无辐射，不含汞）等特点，伴随着LED生产成本的下降，LED进入通用照明的日子越来越近。
LED的驱动方式和传统的卤素灯，荧光灯不同，需要保持恒定电流驱动，所以需要专门的驱动电路。作为通用照明，由于多数为高压市电输入，输出有SELV（安全特低电压）限制，所以多采用降压结构，Buck拓扑结构具有结构简单，效率高，电流纹波小等特点，常被采用。PT4207正是基于Buck拓扑结构设计的一款LED驱动芯片。
PT4207芯片结构特点
PT4207采用革新的架构，可保证系统在交流输入整流后，8V到450V的直流电压下可靠工作，内置350mA/20V的MOSFET，可提供350mA的LED输出电流，另外配备外部MOSFET开关驱动端口，可实现高达1A的LED输出电流并稳定工作。系统效率可达96%，电流精度可达±5%（包含输入电压调整率和元器件差异）。通过多功能调光DIM管脚，可使用电阻或直流电压进行线性调节LED电流，也可以采用数字脉冲信号就选PWM调光。此外，该芯片还具有软启动功能，负载短路保护和过温保护功能。PT4207的内部结构框图如图1所示。
图1 PT4207内部结构框图
恒流工作原理：PT4207采用固定关断时间模式控制输出电流。内部MOSFET开启后，电流流经负载，电感，MOSFET和采样电阻，随时间线性攀升，在CS管脚产生电压，当该电压到达内部基准值后，芯片内部控制电路关断MOSFET，进入关断周期。关断时间通过外部电阻设定，是固定不变的，经过后，MOSFET重新打开，进入下一个工作周期。Buck结构的方式如图2。
图2 Buck结构的两种形式
在MOSFET关断周期，电感L中的能量通过续流二极管D释放到负载LED中，形成回路，如图3。
图3 Buck结构关断周期电流回路
由电感公式可得
，其中VL是电感两端电压，L是电感量，Toff是可设置的固定关断时间，ΔIL是电感中变化的电流量。
图4 CCM下电感电流波形
如果系统工作在CCM（连续工作模式），电感中电流波形如图4。其中ILED为LED平均电流，IPEAK为电感中峰值电流即通过MOSFET或续流二极管的峰值电流，得到ILED=IPEAK-0.5*ΔIL ，代入电感公式，得出
IPEAK可通过采样电阻设定。所以，一旦输出LED方案确定，输出电流与输入电压无关，从而实现恒流控制。
短路保护原理：芯片对CS管脚电压在每个开通周期进行检测，一旦检测到CS电压上升过快芯片会关断MOSFET，过一段时间再打开，从而实现短路保护。
过温保护原理：芯片内置过热保护功能，当芯片结温超过135℃时将自动降低输出电流以阻止温度进一步上升，如果温度超过150℃，输出电流降为0，在有效保护芯片的同时避免闪烁问题。如需对LED进行过温保护，可在DIM管脚和GND管脚间接负温度系数热敏电阻，当环境温度升高时，DIM电压会下降，同时降低内部CS管脚基准电压甚至关断，从而实现过温保护功能。
软启动功能：芯片内置4ms的软启动时间，启动时逐步增加电流，使负载电流逐渐达到设定值，有效减小启动浪涌电流。
图5 PT4207典型应用电路（输出：24串LED阵列，250mA） (print)
图6 PT4207典型应用电路的效率和恒流特性
图7 PT4207大电流应用（输出12串LED阵列，1000mA）
图5是PT4207的典型应用电路。PT4207典型应用电路的效率和恒流特性如图6所示。PT4207其他应用方案如图7、图8所示。其中，图7是PT4207的大电流应用（输出12串LED阵列，1000mA）；图8是PT4207直流低压应用（输出1颗3WLED，700mA）。
图8 PT4207直流低压应用（输出1颗3WLED，700mA）
系统参数设计
参考图5典型应用电路。输出电流的确定：可依据公式
选取合适的R4，R5，R6和L，具体计算步骤可参考PT4207数据表。
输入电容选择：输入电容为系统提供稳定的供电电压，可根据输出功率，电容量按1-2uF/W选择。照明应用都是在高温环境中，所以电容耐温建议在105℃以上。
MOSFET选择：漏-源极耐压Vds根据实际输入情况选择，漏极电流Id选择4倍以上的ILED。
输出电容选择：与LED并联的电容可以吸收LED纹波电流。理想情况下，电感纹波电流完全被输出电容吸收，一定程度上延长LED寿命。通常选择1-10uF。
续流二极管选择：建议选择肖特基二极管或超快速恢复二极管，反向恢复时间Trr建议小于100ns，电流能力应大于IPEAK。
电感选择：可选择工字电感或闭合磁路的变压器电感。工字电感一般价格低廉，工艺简单，但磁路开放，在金属密闭空间内容易造成磁力线缺失而使系统工作异常，所以一般用于非金属外壳的灯具中。无论采用哪种电感，电感的饱和电流要求大于1.2倍的ILED，磁芯材料的居里温度建议大于150℃。
Layout设计要点
参考图5典型应用电路。其中，滤波电容C3，C4，C5，以及电阻R4应尽量靠近芯片管脚。输入电容C1，负载，电感L4，MOSFET，芯片S管脚，采样电阻R5，R6是大电流路径，走线尽量粗短，所包围的面积尽量小。采样电阻R5，R6所连接的是高频大电流地，属于干扰源，应通过最短的路径连接到输入滤波电容C1负极。芯片第3脚，以及C3，C4，C5，R4的地需要稳定的基准地，可以从C1单独引出。
本文小结
以上介绍了PT4207芯片基本结构，工作原理，典型应用方案，以及设计注意事项。该芯片以其宽电压输入范围，较高的恒流精度和可靠性，在日光灯，射灯，筒灯等通用照明，以及路灯，汽车设备等领域均有广泛应用前景。(end)
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(1/13/2011) |
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佳工网友 鲁家义
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于5/24/2011 9:29:00 AM评论说：
用手机充电器(输出9.3V.600mA)两串一并驱动六只1WLED的电动车前大灯,每三只串一2欧电阻.实测电流280MA,点了一小时作实验.但不知是否恒流,这种方是否可行.特请教各位老师.(电话：13797669097)
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