适于3~7W LED灯具的高效率、高精度离线式驱动方案

作者：华润矽威科技(上海)有限公司系统应用总监 谭汉生

在全球节能环保的大趋势下，LED照明由于具有高光效、高节能、长寿命、高可靠性等优点而广受关注。许多国家政府已出台相关政策推进LED照明应用，例如，2011年，澳大利亚率先禁止使用白炽灯；欧盟各国、加拿大、日本等国将在2012年禁止使用白炽灯；中国政府在2011年将公布淘汰白炽灯的路线图。在自身优势和利好政策的双重驱动下，LED灯具市场快速成长。目前，白炽灯的光效约为13 lm/W，普通40W白炽灯的光通量大约为500 lm。而现在已经商用的大功率LED的光效在50-150 lm/W，功率为5W的LED灯具的光通量约为500 lm。所以3-7W的LED灯具适用于取代40-60W的白炽灯。

依据大功率LED的V-I特性，3-7W的LED灯具需要恒定的驱动电流来得到恒定的光通量。LED驱动器成为LED灯具的必备件。在光学、热学、机械工程、电力电子这四个专业领域，各厂商在LED灯具行业形成很清晰的产业分工。这给传统的线性电源和开关电源厂商带来了转型升级的商业机遇。传统的线性电源和开关电源厂商开始转战LED驱动器市场。LED灯具的系统工程师为了增加LED散热的表面积，在传统的GU10、PAR20的灯具外形表面开槽，并且槽的深度向本体下陷，给LED驱动器留下一个狭小的空间。这给电力电子工程师带来了新的挑战，他们需要在面积仅为10*16 mm2 PCB中应对90-264Vac宽电压输入范围、LED恒流、原副边电气隔离并满足EMI等多方面的挑战。

第一代驱动方案

华润矽威在2010年推出了第一代原边反馈离线式3-7W LED驱动方案PT4203和PT4204。PT4203是原边反馈恒流控制器，适用于7W以下的LED球泡灯或PAR灯。 PT4204是内置MOSFET原边反馈恒流的稳流器，适用于3W的LED灯杯。PT4203/04采用原边反馈控制LED恒流，取消了传统的二次侧的电流反馈环中的器件如侦测电流的电阻，TL431和光耦。PT4203/04还采用了主MOSFET源极驱动的架构，这样芯片的供电与变压器的辅助绕组无关。这样简化了芯片的供电和变压器的设计，并可以驱动串联不同LED数目的灯串。图1为采用PT4204的典型应用电路。适用用于3W LED灯杯。PT4204的外围零件的个数仅为6个，为业界最简化的方案。在90-264Vac全电压输入范围，单片的电流精度为±3%。采用EE10压器，效率为72.5%。


图1：采用PT4204的典型应用电路

PT4203/04在2010年推出后，给电力电子工程师在狭小的空间设计驱动器带来了便利性。PT4203/04在业界被广泛的采用。虽然PT4203/4204单片电流精度可达到±3%，但因为模拟IC的工艺相对数字IC工艺的标准化的程度要差一些。PT4203/PT4204在客户端大批量生产时，不同的芯片之间的电流精度在±10%。LED厂商普遍认为，光通量与LED的正向电流成正比，利用相同的电流驱动所有LED，那么每个LED会产生相同的光通量。其实，这个结论不完全正确。因为光源LED的一致性也是关键点。比如，经过分档后的LED光通量的误差还有3.5%。输出的光通量流明和光照度勒克斯才是LED灯具的重点。不过，电流的测量很容易实现，而光的测量则需要昂贵的仪器。所以LED灯具厂商需要更高精度的LED电流。

第二代驱动方案

2011年9月，华润矽威推出了单片电流精度为±1%第二代原边反馈离线式3-7W LED驱动方案PT4213和PT4215。在大批量生产时，PT4213/15的电流的精度可达±3%。同时，为了提高效率，PT4213/15删去了控制主MOSFET源极的内部低压MOSFET,改为主MOSFET的栅极驱动。芯片的供电也从主MOSFET的源极改为从主变压器的辅助绕组。PT4213是原边反馈恒流控制器，适用于7W以下的LED球泡灯或PAR灯；PT4215是内置MOSFET原边反馈恒流的稳流器，适用于3W的LED灯杯。

图2是采用PT4215的3W LED灯杯的典型应用电路。驱动电路采用反激架构，工作在DCM模式。采用无光藕设计，方案简洁可靠，成本低廉。驱动电路能够接受85VAC~265VAC输入范围，输出电流300mA，驱动3颗1W LED串联的灯串。


图2：采用PT4215的典型应用电路

PT4215采用脉冲频率调制(PFM)控制方式，通过改变开关频率实现LED的恒流输出。IC通过CS管脚设定变压器初级侧峰值电流，通过FB脚检测输出电压，根据输出电压的大小产生相应的开关频率实现恒定电流输出。输出电流大小可表示为：



公式1

其中，Nps为变压次初级与次级绕组比例，R5为采样电阻大小，η为转换效率。

图3是实测效率及调整率曲线图；110Vac输入条件下，最高效率超过80%；在100-240Vac的输入电压范围，LED电流的变化只有1mA。图4是220Vac输入条件下，驱动器的传导EMI波形，该驱动器只采用了∏型滤波网络，初次级间未加Y安规电容，EMI轻松通过EN55015B测试标准。图5是Demo板Layout图，变压器初次级间距离超过5mm，可通过3750V耐高压测试。


图3 PT4215效率及调整率特性曲线


图4 PT4215 3W EMI@220Vac


图5 PT4215 Demo板顶层和底层