基于TRUEC2專利技術(shù)的高性能LED射燈方案

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)，傳統(tǒng)的方案是通過(guò)固定關(guān)斷時(shí)間來(lái)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DU2401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：

芯片內(nèi)部有兩個(gè)比較器，其比較參考電平分別為Vpk和Vvalley，與之比較的是Rs兩端的電壓。

Vin上電時(shí)，電感L和電流采樣電阻Rs的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時(shí)候，CS比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導(dǎo)通，SW的電位為低。電流通過(guò)電感L、電流采樣電阻Rs、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從Vin流到地，電流上升的斜率由Vin、電感L和LED壓降決定，在Rs上產(chǎn)生一個(gè)壓差Vcs， 當(dāng)(Vin-Vcs) >Vpk時(shí)，CS比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個(gè)斜率流過(guò)電感L、電流采樣電阻Rs、LED和肖特基二極管D，當(dāng)Vin-Vcs < Vvalley時(shí)，功率開關(guān)重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為：Io=1/(2*Rs)*(Vpk+Vvalley)

所以，這種開環(huán)的控制策略是，根據(jù)兩個(gè)比較電平參考電位Vpk和Vvalley，來(lái)設(shè)定電感電流的峰峰值，從而起到了設(shè)定輸出平均電流值的效果。

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，外部條件發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)比較器都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，輸出電流精度在三種情況下容易出現(xiàn)偏差：

1、當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)(如：不同的LED Vf和不同串?dāng)?shù))

2、當(dāng)主電感感量發(fā)生變化時(shí)(如：實(shí)際上量產(chǎn)的精度不高)

3、當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)。

2.2 DU2401 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(lái)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(lái)做發(fā)出PWM信號(hào)的參考。從電路拓?fù)渖希邲]有區(qū)別。但是在芯片內(nèi)部對(duì)檢測(cè)到的如圖2 CS腳電感電流信號(hào)，做專利技術(shù)處理，如圖3 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。

另外，圖1 Rs電阻串聯(lián)在Vin和LED負(fù)載之間，這意味著不論芯片內(nèi)部開關(guān)管開通和關(guān)斷，Rs都將通過(guò)電流。圖2的全閉環(huán)LED射燈驅(qū)動(dòng)電源中，Rs只在開關(guān)管開通的時(shí)候，有電流通過(guò)，這也是全閉環(huán)控制帶來(lái)的好處。這樣會(huì)帶來(lái)一個(gè)非常顯著的性能提高，因?yàn)镽s電阻的能耗減少，會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。DU2401達(dá)到了業(yè)內(nèi)最高的98%的效率，正是基于這種全閉環(huán)控制策略。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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

輸入電壓范圍：12.5~30VDC 效率：>90%

輸出電壓范圍：3~10.5VDC 輸出電流：700mA

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5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、負(fù)載調(diào)整率理論值是0。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 6 反映的是電感大范圍變化(設(shè)計(jì)標(biāo)稱值68uH)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，電流會(huì)出現(xiàn)線性的大范圍波動(dòng)，如右圖。而DU2401 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(shuō)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。

基于圖 4 的極簡(jiǎn)線路，如圖 9、圖10 顯示，此方案可以在非常小的尺寸下實(shí)現(xiàn) 3W 的輸出功率。這樣的小尺寸，對(duì)于空間狹小，要求很高的射燈，有實(shí)際的意義。高功率密度是LED 燈具對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)電源提出的要求，更優(yōu)的控制方式是實(shí)現(xiàn)更高的功率密度的根本途徑。

由圖11可以看到基于TRUECC專利技術(shù)的高性能LED射燈方案成本只有1.45元，成本上優(yōu)勢(shì)很大。

4 結(jié)論

全閉環(huán)控制，檢測(cè)輸出電流，來(lái)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%