TRUEC2全閉環(huán)電流專利技術(shù)LED恒流控制技術(shù)

1、引言

針對(duì)LED照明負(fù)載特點(diǎn)，目前非隔離式的恒流驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是BUCK降壓結(jié)構(gòu)，主流的方案是通過固定關(guān)斷時(shí)間來固定峰值電流，從而達(dá)到固定輸出電流的控制策略。本文將討論這種控制策略實(shí)現(xiàn)恒流的原理，分析這種開環(huán)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，和應(yīng)用這種控制策略需要做的外圍補(bǔ)償，同時(shí)基于占空比半導(dǎo)體公司新產(chǎn)品DU8608芯片，介紹這種全新的閉環(huán)電流控制策略，詳細(xì)介紹這種控制策略如何突破性提高LED輸出電流精度，從開環(huán)到閉環(huán)是其本質(zhì)的突破。

2、原理與設(shè)計(jì)

2.1 目前LED非隔離恒流驅(qū)動(dòng)電流領(lǐng)域主流的控制策略

如圖1所示，電路是BUCK降壓結(jié)構(gòu)，芯片控制的是MOSFET的源極，這是一種開環(huán)的恒流電流控制方式，控制原理如下：

當(dāng)MOSFET開通時(shí)，電流從DCBUS通過LED負(fù)載，流過電感，流入地。

Vi-Vo=Ldi/dt=L*Ir/DT (1)

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電感電流從D1續(xù)流。得出以下公式：

Vo=Ldi/dt=L*Ir/(1-D)T (2)

如圖2 ，Io(average)=Ipk-1/2*Ir (3)

由(2)和(3)

Io=Vref/Rs-Vo*(1-D)T/(2*L) (4)

Vref和Rcs都是設(shè)定的定值，由于電流流過LED負(fù)載，如果電流固定，可以認(rèn)為L(zhǎng)ED的電壓Vo是固定的，所以從式(4)看出，只要電感值L固定，再固定關(guān)斷時(shí)間(1-D)T， Io即固定。

所以，這種開環(huán)的控制策略是，連接在Rt的電阻設(shè)定MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。每個(gè)周期開始，MOSFET 打開直到電感電流上升到峰值Vref/Rs,這時(shí)MOSFET 關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)間由Rt決定。過了設(shè)定的關(guān)斷時(shí)間，MOSFET 又重新打開，這樣周而復(fù)始地工作。關(guān)斷時(shí)間控制了紋波電流LED 平均電流，根據(jù)想要輸出的電流值，調(diào)節(jié)CS管腳的Rs值，調(diào)節(jié)Rt值，固定每個(gè)開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間為一個(gè)值，從而實(shí)現(xiàn)了輸出電流恒流。

這是一種簡(jiǎn)單有效的控制策略，但是由于這是一種開環(huán)控制模式，只能檢測(cè)電感上的峰值電流，無(wú)法檢測(cè)輸出電流，輸出電流精度在三種情況下容易出現(xiàn)偏差：

1. 輸入電壓波動(dòng)。(開環(huán)控制，無(wú)法反饋，系統(tǒng)延時(shí)造成)

2. 批量生產(chǎn)電感感值偏差。(式4中，L變化引起Io變化)

3. LED負(fù)載電壓不相同(Vo)

對(duì)于第1種偏差，只能采取電壓補(bǔ)償?shù)霓k法，即檢測(cè)輸入電壓，根據(jù)輸入電壓調(diào)整內(nèi)部CS參考電平值，但是效果一般，對(duì)于第2種和第3種偏差，比較難解決。

一種全新的全閉環(huán)控制策略可以完全避免上述幾種偏差，從根本上實(shí)現(xiàn)真正的LED恒流。

2.2 DU8608 如何實(shí)現(xiàn)真正全閉環(huán)的恒流控制

所謂的閉環(huán)，即真正檢測(cè)輸出電流值，以此為標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)出PWM信號(hào)。所謂開環(huán)，不以檢測(cè)到的輸出電流值來做發(fā)出PWM信號(hào)的參考。從電路拓?fù)渖?，二者沒有區(qū)別。但是在芯片內(nèi)部對(duì)檢測(cè)到的如圖3 CS腳電感電流信號(hào)，做專利技術(shù)處理，如圖4 TRUEC2部分。這樣，就檢測(cè)到了電感電流的平均值，也就是輸出電流的平均值。芯片針對(duì)檢測(cè)到的值，控制輸出占空比，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。這種控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得線路極為簡(jiǎn)單，圖3和圖1相比，省去了開環(huán)控制所需的輸入電壓補(bǔ)償線路，省卻了控制固定關(guān)斷時(shí)間所需的Rt電阻。值得一提的是，由于閉環(huán)控制電流，相比于開環(huán)方式，此線路具有電感短路保護(hù)功能，同時(shí)具備Rcs采樣電阻的開路、短路保護(hù)功能。這在生產(chǎn)應(yīng)用中是非常重要的，這相當(dāng)于大大降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。使得這種方案不僅在性能上有了質(zhì)的飛躍，在可靠性上也大大提高。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們選擇了一個(gè)典型LED日光燈應(yīng)用來做IC功能驗(yàn)證，基本電參數(shù)要求如下：

輸入電壓范圍：180~305VAC/50Hz 功率因數(shù)： >0.9 效率：>90%

輸出電壓范圍：3~80VDC 輸出電流：240mA

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

圖7、8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，即線性理論值是0，負(fù)載調(diào)整率為±0.5%。量產(chǎn)時(shí)，由于參數(shù)一致性分布，大量數(shù)據(jù)表明，恒流精度小于±0.9%.

對(duì)于輸出電感變化，我們測(cè)試到如下結(jié)果

圖9 反映的是電感大范圍變化(設(shè)計(jì)標(biāo)稱值1.5mH)時(shí)，輸出電流的變化，如左圖。如果這種測(cè)試用于目前市場(chǎng)上開環(huán)系統(tǒng)芯片，按照前文推導(dǎo)結(jié)果公式(4)，電流會(huì)出現(xiàn)線性的大范圍波動(dòng)，如右圖。而DU8608 閉環(huán)的方式，使得輸出電流依然保持±0.9%以內(nèi)的恒流精度。充分說明了閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)恒流精度提高的重要性。

4、結(jié)論

全閉環(huán)控制，檢測(cè)輸出電流，來發(fā)出PWM信號(hào)，是真正的恒流電源驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于其他非閉環(huán)的方案，這種獨(dú)有的閉環(huán)恒流控制技術(shù)使輸出電流精度有了質(zhì)的飛躍，使整機(jī)電源在全電壓、全負(fù)載、電感變化范圍內(nèi)的電流精度達(dá)到行業(yè)內(nèi)目前最高的±0.9%， 同時(shí)，由于閉環(huán)控制，線路具備了電感短路、電流檢測(cè)電阻短路/開路保護(hù)功能，相比與開環(huán)方案，電路可靠性有了很大提高，在生產(chǎn)中有顯著價(jià)值。

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