?LED室內(nèi)照明和應(yīng)用技術(shù)上正在突飛猛進(jìn)。室內(nèi)照明無疑是個巨大的市場,市場前景毋庸置疑。相信在2010年會在家居照明中占據(jù)較大的市場份額。 LED照明以其高節(jié)能、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。國內(nèi)許多地方已經(jīng)有應(yīng)用于功能性照明領(lǐng)域的成功案例。我國半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)漸漸走在了世界的前列,隨著國家和地方政府的政策鼓勵,許多地方在室外照明如：路燈、景觀照明等;室內(nèi)照明如：地鐵、地下車庫、博物館;特殊場合照明：如低溫照明、礦燈照明、汽車燈等方面被應(yīng)用廣泛。一些傳統(tǒng)照明企業(yè)開始投資轉(zhuǎn)型LED燈具。

　　室內(nèi)照明最普遍的燈具就是E27、GU10、PAR30、PAR38等AC220V高壓直接輸入的LED射燈。E27、Gu10 LED射燈需要AC直接變換成DC的LED恒流源,才能驅(qū)動高亮度LED光源發(fā)光。目前還不能提供單個SoC的集成電路產(chǎn)品,大多數(shù)是采用原邊或副邊反饋的開關(guān)電源方案。但是原邊反饋的方案存在輸出電流精度不高的問題,一般都在+-5%左右。而采用副邊反饋的反激式恒流驅(qū)動方案,輸出電流精度可達(dá)+-2%。

　　可用于副邊反饋的反激式恒流驅(qū)動方案的驅(qū)動IC很多,本文將詳細(xì)介紹基于PT4201控制芯片的離線式LED射燈設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　1W-30W離線式高亮度LED驅(qū)動控制器PT4201

　　PT4201是一款工作于電流模式、可驅(qū)動1W至30W照明或射燈的高亮度LED驅(qū)動控制器,適用于1W至30W的各種LED照明和射燈應(yīng)用,包括E27、PAR30、PAR38等?；赑T4201的隔離式光耦反饋的高亮度LED驅(qū)動系統(tǒng)具有恒流精度高、外圍電路簡單、無閃爍和EMI輻射低的顯著優(yōu)點(diǎn)。在正常工作狀態(tài)下控制器的振蕩頻率可以通過外部電阻精確設(shè)定。同時,PT4201的前側(cè)消隱電路幫助克服外部功率器件開啟瞬間的電壓毛刺,能有效避免控制器的誤動作造成的LED燈閃爍。內(nèi)部集成的電流斜率補(bǔ)償功能提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　PT4201提供完善的保護(hù)功能以提高LED照明系統(tǒng)的可靠性,包括逐周期過流保護(hù)(OCP)、VDD過壓保護(hù)(OVP)以及VDD欠壓保護(hù)(UVLO)等。OUT輸出脈沖高電壓被嵌制在18V保護(hù)外部功率MOS。短路保護(hù)功能防止LED負(fù)載短路時損壞系統(tǒng)。

　　PT4201提供SOT-23-6封裝,引腳排列見圖1。

　　PT4201基本功能描述

　　PT4201集成了多種增強(qiáng)功能,并以其極低的啟動和工作電流、多重保護(hù)功能為小功率LED照明驅(qū)動提供性能優(yōu)良可靠的低成本解決方案。

　　啟動及UVLO：

　　PT4201通過一個連接到高壓線上的電阻Rstart對連接在Vdd腳上的電容Chold充電實(shí)現(xiàn)啟動。在上電之初,Chold電容上的電壓為0,PT4201處于關(guān)斷狀態(tài),從Rstart上流下的電流對Chold進(jìn)行充電從而使Vdd電壓升高,當(dāng)Vdd腳電壓達(dá)到芯片啟動電壓VDD-ON之后PT4201開始工作,工作之后流進(jìn)Vdd電流增加,由輔助繞組開始對芯片進(jìn)行供電。

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)的啟動電路使PT4201啟動之前VDD只消耗極低的電流,這樣可以選用比較大的啟動電阻Rstart從而改善整機(jī)效率。對于一般的通用輸入范圍的應(yīng)用,一個2Mohm,1/8W的電阻和一個10uF/50V的電容可以組成一個簡單可靠的啟動電路(圖2)。

　　電流反饋及PWM控制：

　　PT4201采用光耦檢測輸出LED串的電流并通過改變輸出脈沖占空比達(dá)到輸出電流控制目的。如圖3所示,當(dāng)LED電流達(dá)到設(shè)定值時,LED電流在采樣電阻R2上的壓降達(dá)到光耦發(fā)光管導(dǎo)通電壓,發(fā)光管導(dǎo)通使FB電壓下降,PT4201根據(jù)FB電壓的大小改變輸出脈沖占空比實(shí)現(xiàn)恒定電流輸出。

　　LED開路：

　　LED負(fù)載開路時,流過穩(wěn)壓管的電流在電阻R1和R2上產(chǎn)生一個壓降使光耦發(fā)光管被打開,使PT4201的FB降低。當(dāng)FB降低到一定程度時PT4201進(jìn)入突發(fā)模式,整個系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。因此LED燈開路是安全的。

　　LED短路及采樣電阻短路保護(hù)：

　　當(dāng)LED負(fù)載發(fā)生短路時,光耦發(fā)光管兩端電壓等于輸出電壓,由于輸出功率很小因此整個系統(tǒng)工作是安全的。當(dāng)采樣電阻發(fā)生短路時,由于光耦發(fā)光管兩端電壓為零,發(fā)光管不導(dǎo)通導(dǎo)致FB電壓快速爬升到保護(hù)閾值。在Rosc為100Kohm情況下,過32mS后PT4201將自動關(guān)閉。

　　工作頻率設(shè)定：

　　PT4201的Rosc引腳為設(shè)定PWM頻率提供了方便,用一個電阻接在Rosc引腳和GND之間可以對PWM頻率進(jìn)行設(shè)定(圖4)。PWM頻率與設(shè)定電阻之間的關(guān)系遵循以下關(guān)系:Fosc=6500/Rosc。FOSC單位KHz,Rosc單位Kohm。

　　PT4201在正常工作時會周期性地改變PWM工作頻率進(jìn)行頻率抖動,周期性改變的頻率把EMI傳導(dǎo)干擾擴(kuò)展到更寬的頻譜范圍內(nèi)從而降低了傳導(dǎo)段的EMI干擾。

　　電流采樣以及前沿消隱:

　　PT4201的CS引腳的功能之一是采樣外部MOSFET電流進(jìn)行電流斜率補(bǔ)償,二是提供逐周期的MOSFET過流保護(hù)功能。PT4201通過采樣與功率MOSFET串聯(lián)的采樣電阻來采樣流過MOSFET的電流,流過MOSFET的電流在采樣電阻Rcs上轉(zhuǎn)換成電壓信號,CS上電壓和FB電壓共同決定了PWM脈沖占空比。

　　在PWM每個導(dǎo)通周期當(dāng)CS引腳的電壓超過內(nèi)部門限電壓時MOSFET將立即被關(guān)掉防止過流對器件的損傷。過流門限電壓與MOSFET的電流可由以下關(guān)系確定：IOC=Voc/Rcs

　　其中IOC為MOSFET電流,Voc為過流門限電壓,Rcs為采樣電阻大小。內(nèi)部過流的門限值與PWM占空比大小有關(guān),當(dāng)PWM占空比為0時,過流門限值為0.80V。

　　由于變壓器副繞組整流電路反向恢復(fù)時間以及初級繞組寄生電容等因素影響,在每一個PWM周期開啟瞬間會在采樣電阻上產(chǎn)生一個持續(xù)時間很短的尖峰電壓。為此PT4201會在MOSFET開啟后屏蔽CS采樣輸入一段時間TBLK,在這段時間內(nèi),過流保護(hù)被關(guān)閉不會關(guān)掉外部MOSFET。這樣可以避免MOSFET開啟瞬間在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓毛刺而造成誤動作。PT4201提供的這種功能可以省去電流采樣電路所需的RC濾波器(圖5)。

　　VDD 過壓保護(hù)

　　當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時,例如對于光耦開路或者反饋開路的情況,光耦輸出電流接近零致使FB端電壓上升。FB電壓上升將會使PT4201工作在過流保護(hù)狀態(tài),因?yàn)橛卸嘤嗟碾娏鞴┙o負(fù)載,如果超出了負(fù)載所需電流大小會使輸出電壓迅速爬升。由于輔助繞組的電壓與輸出電壓成一定的比例,輸出電壓升高引起輔助繞組電壓升高進(jìn)而使VDD電壓升高,當(dāng)PT4201檢測到VDD引腳電壓達(dá)到過壓保護(hù)點(diǎn)時會關(guān)閉PWM。當(dāng)OVP被觸發(fā)時由于沒有能量供給負(fù)載及輔助繞組,VDD電壓和輸出電壓下降,當(dāng)降低到OVP解除電壓時將重新開啟正常工作。這時如果故障解除則正常工作,如果故障依然存在將重新進(jìn)入OVP保護(hù)狀態(tài)(圖6)。

　　OUT輸出驅(qū)動：

　　PT4201的OUT腳用來驅(qū)動功率MOSFET的柵極。優(yōu)化設(shè)計(jì)圖騰柱形式輸出的驅(qū)動能力使驅(qū)動強(qiáng)度和EMI得到良好的折衷。同時,OUT的輸出高電位被限制到了18V,從而可以保護(hù)由于VDD升高可能對MOSFET造成的損傷。內(nèi)部OUT和GND之間有一個電阻,可以在芯片不工作時將外部MOSFET的柵極可靠置為0電位。

　　基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案

　　基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案應(yīng)用線路是典型的反激式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用副邊反饋(即光耦反饋),以提高輸出電流精度。相比于原邊反饋電路電流精度+-5%,副邊反饋的電路精度在+-2%以內(nèi),成本只增加了0.3RMB,但卻給大批量生產(chǎn)時提供了便利。

　　3W E27的應(yīng)用一般負(fù)載接3顆1W的LED,每顆LED的VF在3.4V+-0.2V左右。一般電流為300mA-350mA。工作原理如圖7所示,AC85V-265V交流電輸入,通過L1(相當(dāng)于一個保險絲,抗浪涌)后接入整流橋,從整流橋出來的電壓大約為1.4XVin,電流1A左右。C1是一個濾波電容,電容值的選擇大約是負(fù)載功率的1-3倍即可,此處3W的應(yīng)用采用4.7uF的電容,如選擇太小的會導(dǎo)致紋波大,選擇太大的空間又不允許。PT4201的VDD端一開始由R4降壓后供電,18V啟動,啟動之后就通過變壓器輔助繞組供電,電壓在9-27V之間。R1、C3和D2是一個RCD吸收回路,用來吸收Q1開關(guān)時產(chǎn)生的尖峰。減小R1,可以提高吸收效果,但是會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低,建議采用折衷的方式。PT4201的RI端所接電阻R7是用來設(shè)定開關(guān)頻率的,此處把頻率設(shè)定在65kHz。

　　PT4201的CS端連接采樣電阻R8、R9,設(shè)置電流。變壓器是一個重要的部件,采用反激式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)Q1關(guān)斷時,變壓器5,6斷導(dǎo)通,D1的耐壓為變壓器輸入電壓/匝數(shù)比+變壓器輸出電壓。當(dāng)Q1開時,變壓器1,2端有電流,3,4,5,6端截止,D1的耐壓為變壓器輸出電壓X匝數(shù)比+變壓器輸入電壓。D1,T1,Q1是影響效率的關(guān)鍵,D1反向耐壓與T1匝數(shù)比互相牽制。電路右邊SR1100是一個肖特基二極管或者可采用快恢復(fù)二極管整流。當(dāng)空載時,R3是一個限流電阻,限制這條支路上的電流在10mA,D4在這里選用12V穩(wěn)壓管,起到一個整流限壓的作用,在空載時才工作,R2是一個分流電阻,R2上流過的電流為10mA,R2左端的電壓為1V。帶負(fù)載時,R6兩端的電壓為1V左右,通過選擇電阻值不同調(diào)節(jié)輸出電流,這是1X3W的應(yīng)用,工作電流設(shè)定在300mA左右。U2是光耦,當(dāng)R6上的電流變大時,發(fā)光二極管上的電流變大,光敏電阻感應(yīng)到之后,反饋電流到PT4201FB端,FB端電壓變小,PT4201通過調(diào)整占空比來使能量降低,隨之降低R6上的電流。由于是從輸出端采樣電流反饋到芯片,這樣的副邊反饋,實(shí)時對電流進(jìn)行微調(diào),提高了輸出電流的精度。

　　改變這個方案的部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),可以設(shè)計(jì)5W、7W、12W的各種方案,工作原理雷同。由于5W-12W的應(yīng)用空間較大,所以允許在3W的基礎(chǔ)上加上一些輔助電路。如增加抗雷擊器件、可以提高EMC的共軛電感、PFC、∏濾波器等等,以提高整個電路過EMC的能力、工作效率、PFC。 (文/ 華潤矽威科技(上海)有限公司 )

　　參考文獻(xiàn)：

　　《Powtech 離線式LED射燈解決方案》

　　《PT4201Datasheet》