基于TRUEC2技術(shù)的LED恒流控制

摘要：文章詳細(xì)介紹了基于TRUEC2技術(shù)非隔離BUCK拓?fù)?、源極驅(qū)動(dòng)MOSFET,來實(shí)現(xiàn)極高精度LED恒流控制。試驗(yàn)證明，全閉環(huán)TRUEC2技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)真實(shí)輸出電流，免受輸入電壓、外部電感影響，突破性地提高了LED輸出電流的精度。同時(shí)，對(duì)比開環(huán)方案，可靠性也有了顯著提高。

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。

圖1:非隔離降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電源示意圖

圖2:開環(huán)控制策略中的電感電流波形

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

圖3:全閉環(huán)非隔離降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電源示意圖

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。

圖4:DU8608內(nèi)部功能圖

圖5:TRUEC2部分工作示意

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

圖6:DU8608日光燈應(yīng)用原理圖

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:系統(tǒng)線性調(diào)整率（電流表誤差范圍內(nèi)，視作恒定不變）

圖8:系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率

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:輸出電流精度vs.電感量變化（閉環(huán)控制與開環(huán)控制的區(qū)別）

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。

圖10:LISN測(cè)試結(jié)果

圖11:CDN測(cè)試結(jié)果

前文所提到的開環(huán)方式的三種引起電流變化的情況，都從原理上得到根本解決：

1.輸入電壓波動(dòng)。（逐周期閉環(huán)控制，立刻響應(yīng)，不會(huì)引起輸出電流變化）

2.批量生產(chǎn)電感感值偏差。（電感值不敏感，甚至電感短路保護(hù)）

3. LED負(fù)載電壓不相同，輸出不變。這一特點(diǎn)對(duì)電源廠生產(chǎn)有很大意義，因?yàn)檫@意味著串聯(lián)不同數(shù)目的燈珠負(fù)載，可以用同一套電源設(shè)計(jì)，這就減少了備料，降低了成本。

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，并且使多套燈負(fù)載可以用一套電源，在生產(chǎn)中有顯著價(jià)值。

[1].Ir datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/Ir+_1064069.html.