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推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動設(shè)計

發(fā)布時間:2013-12-13 責任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】3W LED球泡燈是目前消費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)動方案達到低成本,但是低效率問題讓人頭疼,本文設(shè)計的一款3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動方案,在成本低的基礎(chǔ)上,還能實現(xiàn)高精度、高效率需求,對工程師們是個很好的參考。

隨著絕緣散熱材料的優(yōu)化普及,非隔離驅(qū)動方案是大勢所趨。更高的效率的實際意義除了降低能耗,更提高了LED燈珠使用率,降低成本,給消費者帶來動力。目前中國LED標準尚未確立,因為市場激烈競爭,目前市場3W隔離驅(qū)動方案可以達到極低成本,但存在一些問題。

市場目前主流3W驅(qū)動電源簡介

3W LED球泡燈是目前消費需求量最大的市場之一,目前主流的方案是3×1W,每個燈珠3.3V300mA,通過3個燈珠串聯(lián)方式形成負載,輸出負載為10V/300mA。由于電網(wǎng)電壓整流后和此輸出負載電壓相差較大,所以最適合的方式是通過反激隔離降壓驅(qū)動。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)動領(lǐng)域開始登上舞臺。

全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動設(shè)計

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,輸出過流、短路保護,過溫保護等保護功能。DU8613是基于TRUEC2技術(shù),實現(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)動的芯片。

推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動方案
圖1:全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動電源參考示意圖
 
圖1所示是利用該芯片實現(xiàn)的一種降壓驅(qū)動方案。如圖1芯片CS端檢測到的電感電流信號經(jīng)過專利技術(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。芯片通過檢測到的不同的輸出電流平均值控制開關(guān)管占空比,從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。
 
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圖2:DU8613內(nèi)部功能圖

推薦:一款高效率3W LED非隔離球泡燈驅(qū)動方案
圖3:DU8613球泡燈應(yīng)用實物圖及其PCB布線圖
 
實驗結(jié)果

我們選擇一個典型的LED球泡燈應(yīng)用來做IC功能的驗證,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
標稱輸出功率:3W

對于輸入電壓、負載LED變化情況下,我們測試得到如下線性、負載調(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,這是因為芯片逐周期閉環(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)電壓波動引起的擾動。在實現(xiàn)如此理想的線性調(diào)整率的同時,還省卻了第二代控制芯片因為線性補償?shù)脑S多外圍元器件,簡單即完美的哲學在此設(shè)計中再一次體現(xiàn)。

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圖5:系統(tǒng)負載調(diào)整率

圖5中的系統(tǒng)負載調(diào)整率為0.3%,它的實際意義是多套燈負載可以用一套電源。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、庫存管理有顯著價值。值得一提的是,如圖6,此系統(tǒng)在短路的時候依然實現(xiàn)了恒流,這就意味著:1.短路保護通過最安全的方式實現(xiàn)。2.這是真正意義的全負載恒流。

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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。

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

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)可以認為是恒定的輸出電流,即線性調(diào)整率接近0,負載調(diào)整率為±0.3%。量產(chǎn)時,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,適當調(diào)整輸入,輸出標稱功率3w的時候,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,是相當可觀的。
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實驗表明,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3W的球泡燈,總BOM成本低于1.5元。這個成績跟某些阻容降壓或者恒流二極管方案相當,而且它的線性調(diào)整率、負載調(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,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)成為每個企業(yè)最求的目標。

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,鑒于以上諸多優(yōu)點,非隔離電路將漸漸取代隔離電路在小功率LED驅(qū)動電源的地位,成為這種驅(qū)動電源的主流。本文介紹的基于DU8613的驅(qū)動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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