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3W功率LED恒流控制研究:非隔离取代隔离是必然趋势
作者:尹红 王立乔
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
摘要:文章首先剖析了目前市场最大用量主流的3W LED球泡灯方案,隔离3×1W。提出这种方案的优缺点,基于这种优缺点,提出了日后方案的市场发展方向。中国LED标准的选择,将基于市场上最优化的方案。顺应市场发展,本文应用上海占空比半导体公司的DU8613芯片,基于非隔离BUCK拓扑提供了一种3W球泡灯LED恒流控制驱动方案,并提供了实验数据和相关波形图,并且展望了非隔离驱动的发展空间。

1 引 言

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。更高的效率的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。目前中国LED标准尚未确立,因为市场激烈竞争,目前市场3W隔离驱动方案可以达到极低成本,但存在一些问题。

2 市场目前主流3W驱动电源简介

3W LED球泡灯是目前消费需求量最大的市场之一,目前主流的方案是3×1W,每个灯珠3.3V300mA,通过3个灯珠串联方式形成负载,输出负载为10V/300mA. 由于电网电压整流后和此输出负载电压相差较大,所以最适合的方式是通过反激隔离降压驱动。然而隔离电路结构复杂,器件较多,成本较高,效率较低,可靠性较低,不适合批量生产。与隔离电路相对地,非隔离电路线路简单,所用器件少,体积小,成本较低,效率较高。随着市场对成本和效率的要求,非隔离电路在小功率LED驱动领域开始登上舞台。

3 DU8613集成开关简化线路实现全闭环3WLED球泡灯恒流控制

DU8613是一款连续电流工作模式的降压式恒流控制器,具有3%的系统恒流精度,内部集成了500V高压MOSFET,在一定程度上简化了外围电路,并且设定了采样电阻开路、短路保护,输出过流、短路保护,过温保护等保护功能。DU8613是基于TRUEC2技术,实现全闭环高精度的恒流控制方法,专门用于3WLED非隔离球泡灯驱动的芯片。图1所示是利用该芯片实现的一种降压驱动方案。如图1芯片CS端检测到的电感电流信号经过专利技术处理,如图2中的TRUEC2闭环恒流控制模块,就得到电感电流(即输出电流)的平均值。芯片通过检测到的不同的输出电流平均值控制开关管占空比,从而实现闭环控制。

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图1:全闭环非隔离降压恒流LED驱动电源参考示意图

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图2:DU8613内部功能图

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图3:DU8613球泡灯应用实物图及其PCB布线图

4 实验结果

我们选择一个典型的LED球泡灯应用来做IC功能的验证,基本电参数如下:

输入电压范围:180~265VAC/50Hz 典型效率:>88%
输出电压范围:3~52VDC 输出电流:60mA
标称输出功率:3W

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:

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图4:系统线性调整率

图4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,有效抑制了电网电压波动引起的扰动。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。

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图5:系统负载调整率

图5中的系统负载调整率为0.3%,它的实际意义是多套灯负载可以用一套电源。例如12串LED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。

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图6:电感调整率

市面上的传统芯片利用开环的控制技术——固定Toff的控制技术,电流推导公式如下:

平均电感电流:ILav=ILpk-(1/2)×ILr

ILpk为电感峰值电流:ILpk=Vcs/Rcs

ILr为电感纹波电流:ILr=(Vout/L)×Toff

如果采用传统芯片,电感的变化会引起输出电流的变化,然而在批量生产时电感的一致性很难控制。图6显示,采用DU8613芯片,在不同的功率电感下,仍然能保持输出电流恒定,因此降低了电感一致性的要求,有利于电感的批量采购,从而降低采购成本。

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图7:效率曲线

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图8:市场某公司隔离3WLED驱动方案效率曲线

图4、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±0.3%。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显示,适当调整输入,输出标称功率3w的时候,系统效率可以在88%以上,即使是在全电压输入范围内效率也能达到86%以上。图8为市场某隔离3W方案的效率曲线。对比表明,对于小功率LED球泡灯,非隔离从节能角度相对于隔离是一种巨大进步,如果折算到全球球泡灯耗电,这种节能减排的效果,是相当可观的。

实验表明,DU8613采用全闭环恒流控制能够实现高精度恒流控制,应用于驱动3W的球泡灯,总BOM成本低于1.5元。这个成绩跟某些阻容降压或者恒流二极管方案相当,而且它的线性调整率、负载调整率、系统效率,以及没有任何工频纹波的输出恒流效果,使该芯片占有有利的优势。并且电路板器件少焊接容易,有利于批量生产。由于芯片全电流反馈对外界条件的依耐性弱的特点,在原料采购上既方便又可以降低成本。

5 趋势展望

顺应市场的需要,降低成本、提高效率和可靠性已经成为每个企业最求的目标。

采用隔离反激变换器的电路比较复杂,变压器存在较大损耗,进而效率较低。LED本身是一种节能环保的新兴替代光源,针对目前市场使用较多的3×1W隔离方案,是基于市场主流灯珠搭配而产生的,但是70%左右的效率令人失望,如果驱动电源没有足够高的转换效率,谈何节能环保?

非隔离电路具有结构简单、器件少、成本低、效率高等优点,鉴于以上诸多优点,非隔离电路将渐渐取代隔离电路在小功率LED驱动电源的地位,成为这种驱动电源的主流。基于上海占空比公司的DU8613的驱动方案在保证成本足够低的基础上,带来了恒流精度高,效率高的优势。笔者认为,非隔离、小电流的特性正顺应了市场的需要,必然会逐步取代隔离方案。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/25/2013)
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