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推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-12-13 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】3W LED球泡燈是目前消費(fèi)需求量最大的市場(chǎng)之一,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈雖然可以使3W隔離驅(qū)動(dòng)方案達(dá)到低成本,但是低效率問(wèn)題讓人頭疼,本文設(shè)計(jì)的一款3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案,在成本低的基礎(chǔ)上,還能實(shí)現(xiàn)高精度、高效率需求,對(duì)工程師們是個(gè)很好的參考。

隨著絕緣散熱材料的優(yōu)化普及,非隔離驅(qū)動(dòng)方案是大勢(shì)所趨。更高的效率的實(shí)際意義除了降低能耗,更提高了LED燈珠使用率,降低成本,給消費(fèi)者帶來(lái)動(dòng)力。目前中國(guó)LED標(biāo)準(zhǔn)尚未確立,因?yàn)槭袌?chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng),目前市場(chǎng)3W隔離驅(qū)動(dòng)方案可以達(dá)到極低成本,但存在一些問(wèn)題。

市場(chǎng)目前主流3W驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)介

3W LED球泡燈是目前消費(fèi)需求量最大的市場(chǎng)之一,目前主流的方案是3×1W,每個(gè)燈珠3.3V300mA,通過(guò)3個(gè)燈珠串聯(lián)方式形成負(fù)載,輸出負(fù)載為10V/300mA。由于電網(wǎng)電壓整流后和此輸出負(fù)載電壓相差較大,所以最適合的方式是通過(guò)反激隔離降壓驅(qū)動(dòng)。然而隔離電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,器件較多,成本較高,效率較低,可靠性較低,不適合批量生產(chǎn)。與隔離電路相對(duì)地,非隔離電路線路簡(jiǎn)單,所用器件少,體積小,成本較低,效率較高。隨著市場(chǎng)對(duì)成本和效率的要求,非隔離電路在小功率LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域開(kāi)始登上舞臺(tái)。

全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

DU8613是一款連續(xù)電流工作模式的降壓式恒流控制器,具有3%的系統(tǒng)恒流精度,內(nèi)部集成了500V高壓MOSFET,在一定程度上簡(jiǎn)化了外圍電路,并且設(shè)定了采樣電阻開(kāi)路、短路保護(hù),輸出過(guò)流、短路保護(hù),過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。DU8613是基于TRUEC2技術(shù),實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)高精度的恒流控制方法,專(zhuān)門(mén)用于3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)的芯片。

推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案
圖1:全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電源參考示意圖
 
圖1所示是利用該芯片實(shí)現(xiàn)的一種降壓驅(qū)動(dòng)方案。如圖1芯片CS端檢測(cè)到的電感電流信號(hào)經(jīng)過(guò)專(zhuān)利技術(shù)處理,如圖2中的TRUEC2閉環(huán)恒流控制模塊,就得到電感電流(即輸出電流)的平均值。芯片通過(guò)檢測(cè)到的不同的輸出電流平均值控制開(kāi)關(guān)管占空比,從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
 
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推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案
圖2:DU8613內(nèi)部功能圖

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圖3:DU8613球泡燈應(yīng)用實(shí)物圖及其PCB布線圖
 
實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們選擇一個(gè)典型的LED球泡燈應(yīng)用來(lái)做IC功能的驗(yàn)證,基本電參數(shù)如下:
輸入電壓范圍:180~265VAC/50Hz典型效率:>88%
輸出電壓范圍:3~52VDC輸出電流:60mA
標(biāo)稱(chēng)輸出功率:3W

對(duì)于輸入電壓、負(fù)載LED變化情況下,我們測(cè)試得到如下線性、負(fù)載調(diào)整率結(jié)果:

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圖4:系統(tǒng)線性調(diào)整率
 
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圖4的線性調(diào)整率接近0,這是因?yàn)樾酒鹬芷陂]環(huán)控制,立刻響應(yīng),不會(huì)引起輸出電流變化,有效抑制了電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)如此理想的線性調(diào)整率的同時(shí),還省卻了第二代控制芯片因?yàn)榫€性補(bǔ)償?shù)脑S多外圍元器件,簡(jiǎn)單即完美的哲學(xué)在此設(shè)計(jì)中再一次體現(xiàn)。

推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案
圖5:系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率

圖5中的系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率為0.3%,它的實(shí)際意義是多套燈負(fù)載可以用一套電源。例如12串LED輸出是36V左右,24串輸出是72V左右,如果設(shè)計(jì)電流值相同,可以使用同一套電源,對(duì)于電源廠,在生產(chǎn)中對(duì)于備料、庫(kù)存管理有顯著價(jià)值。值得一提的是,如圖6,此系統(tǒng)在短路的時(shí)候依然實(shí)現(xiàn)了恒流,這就意味著:1.短路保護(hù)通過(guò)最安全的方式實(shí)現(xiàn)。2.這是真正意義的全負(fù)載恒流。

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圖6:電感調(diào)整率 
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市面上的傳統(tǒng)芯片利用開(kāi)環(huán)的控制技術(shù)——固定Toff的控制技術(shù),電流推導(dǎo)公式如下:
平均電感電流:ILav=ILpk-(1/2)×ILr
ILpk為電感峰值電流:ILpk=Vcs/Rcs
ILr為電感紋波電流:ILr=(Vout/L)×Toff

如果采用傳統(tǒng)芯片,電感的變化會(huì)引起輸出電流的變化,然而在批量生產(chǎn)時(shí)電感的一致性很難控制。圖6顯示,采用DU8613芯片,在不同的功率電感下,仍然能保持輸出電流恒定,因此降低了電感一致性的要求,有利于電感的批量采購(gòu),從而降低采購(gòu)成本。

推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案
圖7:效率曲線
 
推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)方案
圖8:市場(chǎng)某公司隔離3W LED驅(qū)動(dòng)方案效率曲線

圖4、5、6可以看到,由于閉環(huán)控制,在設(shè)計(jì)的正常工作范圍內(nèi),輸出電流維持定值,單顆系統(tǒng)可以認(rèn)為是恒定的輸出電流,即線性調(diào)整率接近0,負(fù)載調(diào)整率為±0.3%。量產(chǎn)時(shí),由于參數(shù)一致性分布,大量試產(chǎn)數(shù)據(jù)表明,恒流精度小于±2%。圖7顯示,適當(dāng)調(diào)整輸入,輸出標(biāo)稱(chēng)功率3w的時(shí)候,系統(tǒng)效率可以在88%以上,即使是在全電壓輸入范圍內(nèi)效率也能達(dá)到86%以上。圖8為市場(chǎng)某隔離3W方案的效率曲線。對(duì)比表明,對(duì)于小功率LED球泡燈,非隔離從節(jié)能角度相對(duì)于隔離是一種巨大進(jìn)步,如果折算到全球球泡燈耗電,這種節(jié)能減排的效果,是相當(dāng)可觀的。
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實(shí)驗(yàn)表明,DU8613采用全閉環(huán)恒流控制能夠?qū)崿F(xiàn)高精度恒流控制,應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)3W的球泡燈,總BOM成本低于1.5元。這個(gè)成績(jī)跟某些阻容降壓或者恒流二極管方案相當(dāng),而且它的線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、系統(tǒng)效率,以及沒(méi)有任何工頻紋波的輸出恒流效果,使該芯片占有有利的優(yōu)勢(shì)。并且電路板器件少焊接容易,有利于批量生產(chǎn)。由于芯片全電流反饋對(duì)外界條件的依耐性弱的特點(diǎn),在原料采購(gòu)上既方便又可以降低成本。

趨勢(shì)展望

順應(yīng)市場(chǎng)的需要,降低成本、提高效率和可靠性已經(jīng)成為每個(gè)企業(yè)最求的目標(biāo)。

采用隔離反激變換器的電路比較復(fù)雜,變壓器存在較大損耗,進(jìn)而效率較低。LED本身是一種節(jié)能環(huán)保的新興替代光源,針對(duì)目前市場(chǎng)使用較多的3×1W隔離方案,是基于市場(chǎng)主流燈珠搭配而產(chǎn)生的,但是70%左右的效率令人失望,如果驅(qū)動(dòng)電源沒(méi)有足夠高的轉(zhuǎn)換效率,談何節(jié)能環(huán)保?

非隔離電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件少、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),鑒于以上諸多優(yōu)點(diǎn),非隔離電路將漸漸取代隔離電路在小功率LED驅(qū)動(dòng)電源的地位,成為這種驅(qū)動(dòng)電源的主流。本文介紹的基于DU8613的驅(qū)動(dòng)方案在保證成本足夠低的基礎(chǔ)上,帶來(lái)了恒流精度高,效率高的優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為,非隔離、小電流的特性正順應(yīng)了市場(chǎng)的需要,必然會(huì)逐步取代隔離方案。

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