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基于DU8623芯片的无电解电容3W非隔离球泡灯方案 |
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作者：李明峰 杨高权 张占松 |
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摘要：文章详细介绍了占空比半导体公司的DU8623芯片，基于非隔离BUCK拓扑、集成源极驱动MOSFET，来实现极高精度LED恒流控制。利用DU8623设计实现一种无须电解电容3W非隔离球泡灯方案。试验证明，全闭环TRUEC2技术实时检测真实输出电流，能实现很高的交叉调整率。省略的电解电容不仅仅降低了成本，同时也延长了整灯寿命。
1 引言
本文简单介绍无电解电容对于延长LED灯寿命的意义，同时简单介绍一种全新的闭环电流控制策略，详细介绍这种控制策略如何突破性提高LED输出电流精度，从开环到闭环是其本质的突破。基于这种闭环策略，提供了一种无电解电容3W球泡灯LED驱动方案，并提供了实验数据和相关波形图。
2 技术发展趋势
2.1 LED驱动电源－无电解电容的意义
为什么在LED驱动电源设计时要强调无电解电容呢？目前LED照明驱动电源的工作寿命的瓶颈就是AC-DC转换电解电容。LED灯珠的寿命是大于4万小时的，而电解电容的寿命只有几千小时，通常环境温度每上升10度，电解电容寿命缩短至一半。根据木桶原理，决定整灯寿命的是最“短命”的环节：电解电容。如果不想法拿掉电解电容，那么LED照明驱动电源的寿命与LED的寿命就很不匹配，也就很难发挥出LED照明的长工作寿命优势。这也是为什么最近业界一直在积极开发无电解电容的LED照明驱动电源的主要原因。
2.2 全闭环的恒流控制的价值
图1：全闭环非隔离降压恒流LED驱动电源参考意图
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。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。从电路拓扑上，二者没有区别。但是在芯片内部对检测到的如图1 CS脚电感电流信号，做专利技术处理，如图2 TRUEC2部分。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。
图2：DU8623内部功能图
3 实验验证
我们选择了一个典型LED球泡灯应用来做IC功能验证，基本电参数要求如下：
输入电压范围：180~264VAC/50Hz 功率因数： >0.5 效率：>88%
输出电压范围：3~50VDC 输出电流：60mA
图3：DU8623球泡灯应用原理图
对于输入电压、负载LED变化情况下，我们测试得到如下交叉调整率结果：
图4可见，线性调整率为0，因为全闭环控制逐周期精确控制，输入有任何变化，芯片会马上检测到并作相关的调整以便得到同样的输出；同理，如图5及图6，当输出电压变化，电感量变化时，芯片也会作相关的调整；正是因为我们的全闭环高精度恒流控制方法，使电源做到了真正的恒流。这样，量产的一致性可以控制到小于±1%。
图4：线性调整率
图5：负载调整率
图6：电感调整率
如果按照市面上的传统的芯片，用用开环的控制技术-固定Toff的控制技术，电流推导公式如下：
这种开环控制技术是基于输出电压相对恒定（即LED串联数量不变），主电感感量确定的情况下，芯片通过提供一个恒定的关断时间和Vcs比较基准，从而实现当输入电压在一个比较宽的范围内变化时，恒定输出电流的目的。但是电网的波动和功率电感的批量生产的一致性很难控制，LED的Vf会随温度变化等的影响，都会影响到输出电流的变化。所以此种控制方法很难达到真正的恒流，也不利于生产的一致性。
正是DU8623的系统是使用全闭环高精度的恒流控制方法，减少了整机系统对外界条件高度一致的依赖性，同一款电源，对应不同的输出电压，不同的功率电感，输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。例如输出电压可以做50V，或者40V、30V等，这样，不仅可以减少因为输出电压不同而需要不同的电感的备料及库存，还可以增加同一款料的采购量而进一步降低采购成本，减少呆滞料的存放。并且还要达到更好的恒流效果！
4 结论
全闭环控制，检测输出电流，来发出PWM信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。实验表明，相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9%。基于此闭环控制技术，DU8623集成1A高压MOSFET，并且根据某些应用要求省略了电解电容，这就提供了一种高恒流精度，低成本、寿命优化的产品。
目前LED驱动供应商层出不穷，各种方案百花齐放。对于新兴的LED市场，爆发在即，但其特点是“短周期”。何谓“短周期”？即方案的变化、更新十分迅速。所以能够贴近一线市场、迅速响应提供方案的IC设计公司才能够笑到最后，才能够最终把握趋势，引领市场技术革新。
参考文献：
[1] Dutycycle Semiconductor LIBRARY 2012，DU8623.
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IR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。
杨高权，广东工业大学电子科学与技术专业。曾就职于深圳洲明科技、茂硕电源等LED企业，目前在上海占空比公司负责方案支持工作，设计大量LED驱动技术方案。
张占松：广东工业大学教授，先后工作于中国科学院、科技学院工学院。八十年代在美国重点研究开关电源的基本拓扑，著作有《高频开关稳压电源》，《开关电源原理与设计》，《电路与系统仿真实践》，翻译有《开关电源手册》等书，长期担任广东省电源学会理事长，中国电源学会副理事长等职，并任9家电源类杂志的编委。
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(3/12/2013) |
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