摘要

    本文將向您介紹一款使用了TI 離線一次側(cè)傳感控制器TPS92310 的低功耗LED 照明驅(qū)動(dòng)器解決方案。由于使用了恒定的導(dǎo)通時(shí)間反激拓?fù)湟约耙淮蝹?cè)傳感控制，該解決方案可以實(shí)現(xiàn)高效率以及良好的線壓和負(fù)載調(diào)節(jié)功能,。就GU10 替代LED 燈泡而言，參考設(shè)計(jì) PMP4325 具有合適的小外形尺寸（30mm×18mm×10mm），其可支持常見(jiàn)的AC 線路輸入以及3 或4 個(gè)LED 串聯(lián)輸出,，恒定輸出電流為350mA。實(shí)驗(yàn)顯示,，就LED 照明而言,，該解決方案具有良好的線壓和負(fù)載調(diào)節(jié)功能、高效率以及整體LED照明保護(hù)功能,。

１　理論操作

1.1 TPS92310 控制器

對(duì)于額定功率較低的 LED 照明來(lái)說(shuō),，單級(jí)反激結(jié)構(gòu)是一款頗具吸引力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單級(jí)反激結(jié)構(gòu)之所以能夠廣泛用于 LED 照明,，其原因如下：

.                    電隔離減少了總體物料清單成本(BOM)

.                    使用特殊控制架構(gòu)（例如：恒定導(dǎo)通時(shí)間控制等）的高功率因數(shù)

.                    相比其他雙級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，外形尺寸更小

    盡管單級(jí)反激結(jié)構(gòu)用于 LED 照明時(shí)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍然有一些問(wèn)題需要解決,。這些問(wèn)題包括：

.                   高功率因數(shù)

.                    穩(wěn)定的線壓和負(fù)載調(diào)節(jié),，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)回授(PSR)

.                   LED 開(kāi)路或者短路保護(hù)

    TI TPS92310 控制器是一種單級(jí)一次側(cè)傳感 AC/DC 控制器，用于驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 的恒定電流,。它工作在零電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換模式(TM) 下,。線壓半周期內(nèi)，“導(dǎo)通時(shí)間”(T_ON) 幾乎恒定不變,。因此,，它本身便具有功率因數(shù)校正(PFC)，因?yàn)橹骼@組的峰值電流,，隨輸入線壓曲線變化而變化,。對(duì) T_ON 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便將 LED 電流調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)水平,，而該水平由一個(gè)外部檢測(cè)電阻器設(shè)置,。T_ON 同時(shí)也用于反激、升壓以及降升壓轉(zhuǎn)換器的控制設(shè)計(jì),。這種轉(zhuǎn)換器工作在轉(zhuǎn)換模式下,，使用固定不變的導(dǎo)通時(shí)間控制來(lái)達(dá)到高功率因數(shù),。另外，T_ON 還可用于對(duì)工作在轉(zhuǎn)換模式的降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制,，其通用 LED 驅(qū)動(dòng)器使用峰值電流控制,。

   一次側(cè)檢測(cè)不要求使用光耦合器和二次側(cè)電路，因此組件數(shù)目更少,，PCB 解決方案也更緊湊,。另外，這種控制器還擁有逐周期電流限制,、輸出短路保護(hù),、輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP) 或者開(kāi)路 LED 保護(hù)、短路 LED 保護(hù)以及熱關(guān)機(jī)保護(hù)等功能,，而所有這些功能都為 LED 照明提供了保護(hù)措施,。

 1.2 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制

    在傳統(tǒng)升壓功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器中，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的轉(zhuǎn)換模式通常用于讓輸入電流與輸入電壓保持同相,，以獲得高功率因數(shù)和低總諧波失真(THD),。

     對(duì)于工作在轉(zhuǎn)換模式下的單級(jí)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它并非本身固有的功率因數(shù)校正,，因?yàn)檎伎毡群皖l率在形狀循環(huán)期間始終會(huì)不斷變化,。因此，在這種條件下,，功率因數(shù)和總諧波失真都不理想,。幸運(yùn)的是，過(guò)濾模式下工作的單級(jí)反激拓?fù)涫褂霉潭ǎê愣ǎ㏕_ON,，仍然可以達(dá)到高功率因數(shù)和低總諧波失真,。如圖 1 所示，平均輸入電流為一個(gè)近似正弦波,，且其相位與輸入電壓相同,。

圖 1 T_ON 和 T_OFF 期間電流波形

     本設(shè)計(jì)中，TPS92310 控制器被配置在恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式下,，如果用一個(gè)大容量電容器連接至 COMP 引腳,，以對(duì)單級(jí)反激應(yīng)用的 100-Hz 線壓紋波進(jìn)行濾波，則開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間可以固定不變,。但是,，為了降低電路板的體積，該參考設(shè)計(jì)并非為一種沒(méi)有功率因數(shù)校正功能的單級(jí)結(jié)構(gòu),，因此我們使用了一個(gè)小容量補(bǔ)償電容器,，目的只是保持控制環(huán)路的穩(wěn)定性。由于反激結(jié)構(gòu)的 DC 輸入電壓較穩(wěn)定,，因此該開(kāi)啟時(shí)間幾乎固定不變,。

 1.3 一次側(cè)檢測(cè)的恒定電流控制

據(jù)此,，圖 2 顯示了一次電流、二次電流和 V_ds 電壓,，平均輸出電流 I_o 的計(jì)算方法如下：

其中：

2 × T_dly =MOSFET 漏極上振鈴時(shí)間的一半

N=一次繞組與二次級(jí)繞組的變壓器匝數(shù)比

I_{p_pk}=一次電流

I_{s_pk}=二級(jí)電流

I_o=平均輸出電流（LED 電流）

圖 2 電流及 V_ds 電壓波形

     為了調(diào)節(jié)輸出電流,，該轉(zhuǎn)換器使用了一個(gè) PWM 控制電路,，如圖 3 所示,。這種電路包括了充電和放電工作模式。充電工作模式由內(nèi)部基準(zhǔn)電流I_REF × time (T_ON + T_OFF + 2T_DLY)控制,。放電工作模式由 T_OFF 開(kāi)關(guān)和 I_pk 電流源控制,，其與一次側(cè)峰值電流成比例關(guān)系。COMP 電壓電平可代表柵極驅(qū)動(dòng) T_ON,。

    在正常運(yùn)行期間,，如果放電 Q(I_pk × T_OFF) 大于充電 Q (I_REF × (T_ON +  T_OFF +2T_DLY))，則 COMP 引腳電壓下降,，結(jié)果柵極輸出 T_ON 在下一個(gè)周期時(shí)增加,。另外，如果充電 Q(I_REF × (_TON + T_OFF + 2T_DLY)) 大于放電 Q (I_pk ×T_OFF),，則 V_COMP 上升,，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出T_ON在下一個(gè)周期增加。如果充電 Q 等于放電 Q,，則V_COMP電壓穩(wěn)定,。因此，當(dāng)大容量電容器連接至COMP引腳對(duì) 100-HZ 線壓紋波進(jìn)行濾波時(shí),，在半個(gè)正弦周期產(chǎn)生一個(gè)固定導(dǎo)通時(shí)間,，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在沒(méi)有使用功率因數(shù)校正維持環(huán)路穩(wěn)定情況下,，并且僅用于反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),，可以使用一個(gè)小容量電容器連接 COMP 引腳。

圖 3 充電和放電方塊圖

該控制器實(shí)現(xiàn)了一次電流反饋與調(diào)節(jié),，以維持恒定輸出 LED 電流,。圖 4 顯示了 TPS92310 控制器的方塊圖。紅色虛線表示一個(gè)主控制回路,。

圖 4 TPS92310 方塊圖

1.4 ZCD 檢測(cè),、延遲設(shè)置與輸出過(guò)壓

零交叉檢測(cè)(ZCD) 引腳對(duì)變壓器輔助繞組進(jìn)行零電流檢測(cè)。當(dāng) ZCD 電壓低于V_ZCD（TRIG）電平時(shí),，內(nèi)部 RS 觸發(fā)器便向 IDLY 延遲模塊發(fā)送一個(gè) ZCD 信號(hào),，觸發(fā)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。該引腳的雙層檢測(cè)(ARM/TRIG),，可以確保開(kāi)關(guān) FET 在隔離變壓器二次側(cè)零電流時(shí)“開(kāi)啟”,。圖 5 顯示了開(kāi)關(guān) FET“漏電流”的典型開(kāi)關(guān)波形圖,。控制器還會(huì)為 ZCD 檢測(cè)提供 300ns 的空余時(shí)間,，以避免出現(xiàn)任何可能的振鈴影響,。

為了降低轉(zhuǎn)換器工作期間的 EMI 和開(kāi)關(guān)損耗，TPS92310 控制器使用了一個(gè) DLY 引腳,。連接一個(gè)外電路電阻器,，可以很容易地控制延遲計(jì)時(shí)器。利用這種 IDLY 引腳,，轉(zhuǎn)換器可以確保變壓器繞組零電流,，無(wú)需“開(kāi)啟”主開(kāi)關(guān) FET。必須根據(jù)隔離變壓器主繞組電感和開(kāi)關(guān) FET 漏極充電之間的諧振頻率,，來(lái)考慮預(yù)設(shè)延遲計(jì)時(shí)器值,。利用下列方程式，我們可以計(jì)算得到T_dly：

(2)

其中：

L_p=變壓器一次繞組電感

C_oss=MOSFET 輸出電容

T_dly 用于控制 V_COMP 的放電時(shí)間,，因此它必須由連接 DLY 引腳的外部電路電阻器來(lái)設(shè)置,，如圖 6 所示。

圖 5 典型開(kāi)關(guān)波形

圖 6 T_dly 設(shè)置曲線

ZCD 引腳同時(shí)也用作輸出過(guò)壓保護(hù),。輔助繞組上的正電壓呈現(xiàn)為輸出LED 電壓,，會(huì)被外部分壓式電阻器檢測(cè)到，如圖 7 所示,。ZCD 引腳上的過(guò)壓超出 OVP 閾值 3 個(gè)周期,。驅(qū)動(dòng)輸出應(yīng)被關(guān)閉，并且控制器實(shí)施重啟模式,。OVP 電壓的計(jì)算方法如下：

其中：

N_s=輔助繞組匝數(shù)

N_a=輸出繞組匝數(shù)

V_D=輸出整流器的正向電壓

輔助繞組上的負(fù)電壓代表輸入電壓的反射電壓,，因此，當(dāng)選擇 R_U 時(shí),，需考慮電阻器的功耗。0.2mA 到 0.5mA 的電流較為合適,。把一個(gè)二極管連接至　ZCD 引腳,，以將這種負(fù)電壓控制在 1V 以下。我們總是會(huì)在 ZCD 引腳和 GND 之間連接一個(gè)小容量電容器 C,，目的是消除可能出現(xiàn)的振鈴影響,，確保精確的 OVP，并實(shí)現(xiàn)適合的谷值開(kāi)關(guān)接通,。

圖 7 ZCD 引腳連接電路

1.5 輸出短路保護(hù)

TPS92310 控制器工作在電壓模式控制下,，需要使用逐周期限制，以實(shí)現(xiàn) OCP 和 SCP,。在這種隔離式反激結(jié)構(gòu)中,，控制器提供兩種具有不同 OCP 閾值（0.64V 和 3.4V）的恒定導(dǎo)通時(shí)間模式,。利用如下方程式，可以計(jì)算出主電流的檢測(cè)電壓大?。?/p>

其中：

REF=控制器的 0.14

V_LED = 12 V

V_{D =} 0.8 V

V_{in_min} = 127 Vdc

本設(shè)計(jì)中,，V_or 約等于 85V，也即 Nx(V_LED + V_D)

η=效率,，低線壓時(shí)估算得到約 0.8

對(duì)于這種傳統(tǒng)型反激設(shè)計(jì),，Visns 約為 0.53 V。

    由于 Vin_min 電壓固定,，而 Vor 設(shè)計(jì)電壓也幾乎固定不變,，因此,，當(dāng) LED電壓不同時(shí),，Visns 幾乎為恒定。檢測(cè)電壓低于 OCP 閾值,，因此我們可以配置 0.64 V OCP 閾值的恒定導(dǎo)通時(shí)間模式,，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的輸出短路保護(hù)。這種模式可以用于所有傳統(tǒng)反激設(shè)計(jì)中,。為了避免輸出短路期間 ZCD 檢測(cè)的振鈴干擾,，必須在 ZCD 引腳和 GND 之間連接一個(gè)小容量電容器，以消除偽 ZCD 檢測(cè),。一個(gè) 10-Pf 電容器較為適合于這種設(shè)計(jì),。圖 8 顯示了輸出短路波形。

圖 8 輸出短路保護(hù)(SCP) 波形

1.6 外部線壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償

由于控制器固有的傳播延遲,，高線壓和低線壓下存在不同的峰值電流,，如圖 9 所示。相同傳播延遲情況下,，相比低線壓輸入電壓,，高線壓輸入電壓會(huì)產(chǎn)生更高的電流差。根據(jù)方程式 1,，輸入電流檢測(cè)誤差會(huì)影響 LED 電流,，導(dǎo)致線壓調(diào)節(jié)效果不是很好。當(dāng)輸入電壓從低線壓變?yōu)楦呔€壓時(shí),，有兩種方法可以改善線壓調(diào)節(jié)：

1,、            添加一個(gè)快速關(guān)閉電路（如圖 10 所示）。它可以減少 MOSFET 開(kāi)關(guān)延遲,，并改善本設(shè)計(jì)中 230 Vac 的 5 mA 電流容限,。

2、            添加一個(gè)輸入電壓檢測(cè)電路（如圖 11 所示）,，以縮短高線壓下的導(dǎo)通時(shí)間,；通過(guò)調(diào)節(jié) R17 至 110 Vac 和 230 Vac 線壓,，達(dá)到理想的高電流精確度。R19,、R19 和R20判定LED電流的拐點(diǎn),。圖 12 顯示了使用外部補(bǔ)償?shù)木€壓調(diào)節(jié)比曲線。

圖 9 固有傳播延遲

圖 10 快速關(guān)閉電路

圖 11 外部線壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路

圖 12 線壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償曲線

2 變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的描述,，要想使用一個(gè)外部 SCP 電路,，必須將 Visns 設(shè)置為 0.6V 以下。

其中：

V_isns=一次電流的檢測(cè)電壓（如果使用外部 SCP 電路小于 0.6V,，否則無(wú)限制）

R_cs=電流檢測(cè)電阻器

N=一次繞組與輸出繞組之變壓器匝數(shù)比

I_P=初級(jí)峰值電流

V_or=次級(jí)電壓的初級(jí)反射電壓

I_LED=LED 電流

V_LED=LED 電壓

η=估計(jì)電源效率

V_D=輸出整流器的正向電壓

V_{in_min}=最小輸入 DC 電壓,，通常簡(jiǎn)化為 1.3 Vac_min

變壓器規(guī)范的計(jì)算方法如下：

其中：

L_p = 一次繞組電感

N_p = 一次繞組匝數(shù)

N_out = 輸出繞組匝數(shù)

N_aux = 輔助繞組匝數(shù)（由于峰值電壓影響，通常小于計(jì)算值）

D_MAX = 最大占空比（利用方程式2計(jì)算得到）

F_{S_MIN} =低線壓設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率

△B_MAX =選擇最大工作通量密度 

A_e = 有效磁芯面積

V_aux = 選擇V_CC電壓

V_{D_out} = 輔助整流器的正向電壓

    最后,，我們便可以選擇初級(jí) MOSFET 的 RMS 電流和峰值電壓,，然后根據(jù) RMS 電流和繞線筒窗口，選擇 MOSFET 次級(jí)整流器,、整流器以及構(gòu)造變壓器,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 電氣性能規(guī)范

表 1 PMP4325 電氣性能規(guī)范

3.2 參考設(shè)計(jì)原理圖

圖 13 PMP4325 參考設(shè)計(jì)原理圖

3.3 PMP4325 PCB 布局

該參考設(shè)計(jì)在一塊雙面 PCB 上實(shí)施，其尺寸大小同 GU10 LED 燈和類(lèi)似應(yīng)用兼容,。為了滿足不同的要求,，我們提供了兩個(gè)版本的 PCB 布局文件：

1、沒(méi)有輸出 SCP 線壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路的發(fā)布版演示板,。

2,、專(zhuān)供一些要求具有強(qiáng)大 SCP 和線壓調(diào)節(jié)功能的客戶的 PCB 文件

圖 14 演示板的組件面和焊接面

3.3.1無(wú) SCP 和線壓調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路的 PCB 布局

圖 15 發(fā)布版演示板的 PCB 布局

3.4 電氣性能

    圖 16 到 18 顯示了 PMP4325 9-V 和 12-V、350-mA LED 驅(qū)動(dòng)器的典型性能曲線,。

3.4.1 3-LED 和 4-LED 應(yīng)用的效率曲線

圖 16 3-LED 和 4-LED 負(fù)載的效率曲線

3.4.2線壓調(diào)節(jié)曲線

圖 17 LED 電流的線壓調(diào)節(jié)

3.4.3使用補(bǔ)償電路的線壓調(diào)節(jié)曲線

圖 18 使用補(bǔ)償電路的 LED 電流線壓調(diào)節(jié)

3.4.4啟動(dòng)輸出波形

圖 19 110VAC 啟動(dòng)測(cè)試                  圖 20 230VAC 啟動(dòng)測(cè)試

3.4.5輸出紋波電壓與電流

圖 21 110VAC 輸出紋波測(cè)試              圖 22 230VAC 輸出紋波測(cè)試

3.4.6輸出過(guò)壓與開(kāi)路 LED 保護(hù)

圖 23 110VAC的OVP測(cè)試                   圖 24 230VAC 的 OVP 測(cè)試

3.4.7  2-LED 保護(hù)

圖 25 110VAC的短路2 LED測(cè)試      圖 26 230VAC的短路2 LED測(cè)試

3.4.8輸出短路保護(hù)

圖 27 110VAC的輸出短路測(cè)試          圖 28 230VAC的輸出短路測(cè)試

3.5 傳導(dǎo)電磁干擾（ EMI）

3.5.1使用 Y 電容時(shí) 4LED GU10 負(fù)載的 EMI

圖 29 帶電230VAC的傳導(dǎo)EMI     圖 30 不帶電 230VAC 的傳導(dǎo) EMI

3.5.2使用 Y 電容時(shí) 3-LED GU10 負(fù)載的 EMI

圖 31 帶電230VAC的傳導(dǎo) EMI   圖 32 不帶電 230VAC 的傳導(dǎo) EMI

3.5.3不使用 Y 電容時(shí) 3-LED GU10 負(fù)載的 EMI

圖 33 帶電 230VAC 的傳導(dǎo) EMI     圖 34 不帶電 230VAC的傳導(dǎo) EMI

3.6 材料清單

表 2 PMP4325 材料清單

3.7 變壓器規(guī)范

本小節(jié)將說(shuō)明變壓器的磁芯和繞線筒規(guī)范,、電路圖、電氣規(guī)范和構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖,。

磁芯：EPC13

磁芯材料：PC40,，或者其他類(lèi)似材料

繞線筒：10引腳水平繞線筒，具體尺寸如下：

圖 35 10 引腳水平繞線筒

圖 36 變壓器電路圖

表 3 變壓器電氣規(guī)范

圖 37 變壓器構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖

參考文獻(xiàn)

1,、TI PFC產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)之《TPS92310 離線一次側(cè)感應(yīng)控制器》