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小尺寸非隔离恒流18W LED日光灯驱动方案 |
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作者：李明峰 李照详 张义 张占松 |
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摘要：文章详细介绍了基于TRUEC2技术非隔离BUCK拓扑，来实现18W极高精度日光灯LED恒流控制。试验证明，全闭环TRUEC2技术实时检测真实输出电流，免受输入电压、外部电感影响，突破性地提高了LED输出电流的精度。集成MOSFET，简化外围线路；控制方式免受电感影响。体积小可内置于日光灯灯头，是理想的非隔离恒流驱动方案。最后，对于LED驱动电源未来发展趋势及其担忧，笔者提出了自己的观点。
进入2013年，我们切身感受到了LED行业发展的阵阵暖意。目前有好几个趋势正在推动LED照明市场的发展。首先是高亮度LED效率的不断提升和高效率高可靠性恒流LED驱动电源的不断涌现，其次是全球立法禁止白炽灯照明和CFL节能灯的逐步淡出（它含有对环境有害的水银）。这些因素综合起来正使得LED照明成为一个长期的发展趋势。更重要的是，低成本（包括LED灯珠、散热系统和LED驱动器）是消费者广泛采用LED通用照明的原始推动力。除了节能减排的重大使命以外，LED相比于其他光源更可控的特点使其可能革命性的丰富人们的用光环境，提供许多新颖的光影世界。而实现这些应用最为关键的环节就是驱动：LED光源的大脑。更小体积、更少元件、更低成本、更强大，这些是市场对LED驱动电源的“苛刻”要求。
本文介绍的这种极简线路18W LED日光灯驱动方案，尺寸小于一枚一元硬币，成本是目前市场主流方案的一半左右，是顺应这种“苛刻”要求而生的。简单即完美的哲学在这种方案里发挥得淋漓尽致。
2.1 第三代非隔离LED恒流控制技术闭环算法TRUEC2简介
针对LED照明负载特点，目前非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是BUCK降压结构。非隔离LED恒流控制技术的发展分为三代，从最初的固定频率模式，到后来的固定关断时间模式，严格说都不是真正的闭环恒流，一直发展到今天，所使用的是第三代非隔离控制技术闭环算法，称为TRUEC2的控制策略。上海占空比半导体公司的DU8618芯片，基于TRUEC2驱动技术，对于各种外围元件不敏感，这就在提高可靠性和精度的同时，降低了整体方案的成本。
所谓的闭环，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出PWM信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出PWM信号的参考。从电路拓扑上，二者没有区别，都是非隔离的BUCK降压拓扑。但是在芯片内部有两个基准，一个是峰值基准，一个是平均值基准。芯片检测到电感电流信号，做专利技术处理，如图1 TRUEC2部分做积分处理及峰值控制。这样，就检测到了电感电流的平均值，也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。这种控制结构，使得线路极为简单，由于闭环控制电流，相比于开环方式，此线路短路亦恒流。这在生产应用中是非常重要的，这相当于大大降低了系统发生故障的风险。使得这种方案不仅在性能上有了质的飞跃，在可靠性上也大大提高。DU8618集成了1A的高压MOSFET，又将简化线路做到了极致，通过低电流、高电压的设计，降低损耗，让1A MOSFET集成封装于小体积的SOP8中，可以胜任所有18W以内的非隔离LED驱动需求。
图1：芯片内部TRUEC2部分模块工作示意
2.2 DU8618集成开关简化线路实现全闭环18W LED日光灯恒流控制
DU8618是基于TRUEC2技术，专门用于18W LED非隔离日光灯驱动的芯片。
基本电参数要求如下：
输入电压范围：180~265VAC/50Hz 典型效率：>95%
输出电压范围：60~180VDC 输出电流：90mA
标称输出功率：18W
图2：全闭环非隔离降压恒流18W LED日光灯驱动电源示意图
图3：DU8618输出18W非隔离LED日光灯驱动电源尺寸示意
图4：PCB布板图
图2原理图显示，实现18W的输出功率，方案所需的所有元件为仅14个。图3、图4的直观显示表明，该方案小于一枚一元硬币。上文介绍的先进的控制方式是实现更高的功率密度的根本原因。实际意义并不仅仅是提高了功率密度。技术进步所带来的还包括：线路更简单、成本降低、恒流精度更高。95%的效率高于市场大部分方案，小电流、高电压的设计思路是实现如此高效率的关键。
2.3 实验结果
对于输入电压、负载LED变化情况下，我们测试得到如下线性、负载调整率结果：
图5：系统线性调整率
图5的线性调整率接近0，这是因为芯片逐周期闭环控制，立刻响应，不会引起输出电流变化。在实现如此理想的线性调整率的同时，还省却了第二代控制芯片因为线性补偿的许多外围元器件，简单即完美的哲学在此设计中再一次体现。
图6：系统负载调整率
高负载调整率的实际意义是多套灯负载可以用一套电源。例如12串输出是36V左右，24串输出是72V左右，如果设计电流值相同，可以使用同一套电源，对于电源厂，在生产中对于备料、库存管理有显著价值。值得一提的是，如图6，此系统在短路的时候依然实现了恒流，这就意味着：1. 短路保护通过最安全的方式实现。2. 这是真正意义的全负载恒流。
图5、6可以看到，由于闭环控制，在设计的正常工作范围内，输出电流维持定值，单颗系统可以认为是恒定的输出电流，即线性调整率接近0，负载调整率为±0.5%。量产时，由于参数一致性分布，大量试产数据表明，恒流精度小于±2%。
图7：开关波形
下面我们来看一下元件清单。
总成本BOM成本低于￥3.5。这个成绩跟某些阻容降压或者线性高压方案比，算不上特别，但考虑到这样的线性调整率、负载调整率以及系统效率，以及没有任何工频纹波的输出恒流效果，笔者无意盲从众生，高举“低成本”的噱头，只想表达简单的设计哲学在成本核算时体现得淋漓尽致。
3 趋势展望
笔者认为，随着绝缘散热材料的优化普及，非隔离驱动方案是大势所趋。其更高的效率实际意义除了降低能耗，更提高了LED灯珠使用率，降低成本，给消费者带来动力。某些低价隔离方案，事实上完全没有达到隔离的安规，剑走偏锋，不利于长远发展。
好在LED行业目前是个典型的短周期行业，技术而非资本是核心竞争力。大胆的预测：
－ 隔离单级PF高纹波的方案迟早被“一级半”方案（高PF、低纹波、体积紧凑）所替代。
－ 线性高压LED方案会逐步替代阻容降压方案。
－ 成熟“一级半”方案大量面市之前，非隔离方案将渐渐夺取隔离方案的份额。
－ 非隔离方案亦朝两个方向发展：一个是高端填谷式高效率、高PF、低纹波方案。一个是本文的全闭环超高性价比方案，其目标是让LED日光灯在维持高品质的情况下，让市场售价迫近30元人民币，会引起市场爆发。
－ 可控硅调光方案，虽然伴随着顽固的在墙上的可控硅会存留，并且有大量弃而不舍的厂商尝试做“全兼容方案”，但随着先进LED调光技术的兴起，将退出历史舞台。取而代之的方案将给人们非常新颖的光体验。
崇效天，卑法地。笔者作为节能环保事业的狂热追求者，作为LED业内人士，深信先进技术是未来简单、完美而光明世界的唯一驱动力。创造力永远是人类得以生存、进化的原动力。盲目低价低质恶性竞争的所谓“商业行为”，只能谋取短期私利，自毁长城，使消费者对LED产品丧失信心。广东省质量技术监督局在去年8月通报LED灯产品质量省级专项监督抽查结果，在7个地市21家企业生产的LED灯产品共23批次，产品不合格率为73.9%。这样的调查数据，你还敢用LED产品吗？你还能相信它节能环保吗？这就是走火入魔的结果，一个有良知的业内人士，唯有对先进技术孜孜不倦追求，才是造福人类的唯有途径。
作者：中国LED标准委员会 李明峰 李照详 张义 张占松
作者简介：
李明峰，浙江大学电力电子专业硕士毕业。曾就职于艾默生网络能源、美国国际整流器公司全球技术支持中心、BCD半导体。在IEEE及国内核心电力电子期刊发表数十篇技术论文，近年来专注于LED照明市场趋势研究及行业优势资源整合。
李照详，毕业于中国石油大学电子信息工程专业。在深圳福来特、鸿鹏锦、东莞远见等多家公司就职从事LED驱动电源方案设计工作。目前在上海占空比公司负责华南地区技术支持和LED驱动电源整体方案提供工作。
张义，曾就职于环球迈特和美国GE中国研究中心。目前在中国LED标准委员会半导体照明技术标准工作组从事标准撰写工作。
张占松：广东省电源行业协会/学会理事长。1960年毕业于华中理工大学工业企业电气化与自动化专业。先后工作于中国科学院、科技学院工学院，现工作于广东工业大学。编著有《高频开关稳压电源》、《开关电源的原理与设计》、《电气技师实用手册》、《网络监控系统原理与应用》以及《电路和系统的仿真实践》等著作。
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(3/11/2013) |
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