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”(TON) 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) TON 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。TON 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，TON 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 TON 和 TOFF 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 Vds 電壓，平均輸出電流 Io 的計(jì)算方法如下：
其中：
2 × Tdly =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
Ip_pk=一次電流
Is_pk=二級(jí)電流
Io=平均輸出電流（LED 電流）
圖 2 電流及 Vds 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IREF × time (TON + TOFF + 2TDLY)控制。放電工作模式由 TOFF 開(kāi)關(guān)和 Ipk 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) TON。
在正常運(yùn)行期間，如果放電 Q(Ipk × TOFF) 大于充電 Q (IREF × (TON + TOFF +2TDLY))，則 COMP 引腳電壓下降，結(jié)果柵極輸出 TON 在下一個(gè)周期時(shí)增加。另外，如果充電 Q(IREF × (TON + TOFF + 2TDLY)) 大于放電 Q (Ipk ×TOFF)，則 VCOMP 上升，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出TON在下一個(gè)周期增加。如果充電 Q 等于放電 Q，則VCOMP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VZCD（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Tdly：
(2)
其中：
Lp=變壓器一次繞組電感
Coss=MOSFET 輸出電容
Tdly 用于控制 VCOMP 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 Tdly 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：
Ns=輔助繞組匝數(shù)
Na=輸出繞組匝數(shù)
VD=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 RU 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)電壓大小：
其中：
REF=控制器的 0.14
VLED = 12 V
VD = 0.8 V
Vin_min = 127 Vdc
本設(shè)計(jì)中，Vor 約等于 85V，也即 Nx(VLED + VD)
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：
Visns=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）
Rcs=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
IP=初級(jí)峰值電流
Vor=次級(jí)電壓的初級(jí)反射電壓
ILED=LED 電流
VLED=LED 電壓
η=估計(jì)電源效率
VD=輸出整流器的正向電壓
Vin_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：
Lp = 一次繞組電感
Np = 一次繞組匝數(shù)
Nout = 輸出繞組匝數(shù)
Naux = 輔助繞組匝數(shù)（由于峰值電壓影響，通常小于計(jì)算值）
DMAX = 最大占空比（利用方程式2計(jì)算得到）
FS_MIN =低線壓設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率
△BMAX =選擇最大工作通量密度
Ae = 有效磁芯面積
Vaux = 選擇VCC電壓
VD_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》