【導(dǎo)讀】3W LED球泡燈是目前消費(fèi)需求量最大的市場之一，市場競爭的激烈雖然可以使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)者帶來動(dòng)力。目前中國LED標(biāo)準(zhǔn)尚未確立，因?yàn)槭袌黾ち腋偁帲壳笆袌?W隔離驅(qū)動(dòng)方案可以達(dá)到極低成本，但存在一些問題。
市場目前主流3W驅(qū)動(dòng)電源簡介
3W LED球泡燈是目前消費(fèi)需求量最大的市場之一，目前主流的方案是3×1W，每個(gè)燈珠3.3V300mA，通過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)。與隔離電路相對地，非隔離電路線路簡單，所用器件少，體積小，成本較低，效率較高。隨著市場對成本和效率的要求，非隔離電路在小功率LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域開始登上舞臺。
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，在一定程度上簡化了外圍電路，并且設(shè)定了采樣電阻開路、短路保護(hù)，輸出過流、短路保護(hù)，過溫保護(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，專門用于3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動(dòng)的芯片。
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2：DU8613內(nèi)部功能圖
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)用來做IC功能的驗(yàn)證，基本電參數(shù)如下：
輸出電壓范圍：3~52VDC輸出電流：60mA
標(biāo)稱輸出功率：3W
對于輸入電壓、負(fù)載LED變化情況下，我們測試得到如下線性、負(fù)載調(diào)整率結(jié)果：
圖4：系統(tǒng)線性調(diào)整率
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，簡單即完美的哲學(xué)在此設(shè)計(jì)中再一次體現(xiàn)。
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，對于電源廠，在生產(chǎn)中對于備料、庫存管理有顯著價(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)通過最安全的方式實(shí)現(xiàn)。2.這是真正意義的全負(fù)載恒流。
圖6：電感調(diào)整率
[page]市面上的傳統(tǒng)芯片利用開環(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，從而降低采購成本。
圖7：效率曲線
圖8：市場某公司隔離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為市場某隔離3W方案的效率曲線。對比表明，對于小功率LED球泡燈，非隔離從節(jié)能角度相對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。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外界條件的依耐性弱的特點(diǎn)，在原料采購上既方便又可以降低成本。
趨勢展望
順應(yīng)市場的需要，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，針對目前市場使用較多的3×1W隔離方案，是基于市場主流燈珠搭配而產(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，帶來了恒流精度高，效率高的優(yōu)勢。筆者認(rèn)為，非隔離、小電流的特性正順應(yīng)了市場的需要，必然會逐步取代隔離方案。
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