基于PT4213/15的3-7W LED驅(qū)動器的應(yīng)用解決方案

在全球節(jié)能環(huán)保的大趨勢下，LED照明由于具有高光效、高節(jié)能、長壽命、高可靠性等優(yōu)點而廣受關(guān)注。許多國家政府已出臺相關(guān)政策推進LED照明應(yīng)用，例如，2011年，澳大利亞率先禁止使用白熾燈；歐盟各國、加拿大、日本等國將在2012年禁止使用白熾燈；中國政府在2011年將公布淘汰白熾燈的路線圖。在自身優(yōu)勢和利好政策的雙重驅(qū)動下，LED燈具市場快速成長。目前，白熾燈的光效約為13 lm/W，普通40W白熾燈的光通量大約為500 lm。而現(xiàn)在已經(jīng)商用的大功率LED的光效在50-150 lm/W，功率為5W的LED燈具的光通量約為500 lm。所以3-7W的LED燈具適用于取代40-60W的白熾燈。

依據(jù)大功率LED的V-I特性，3-7W的LED燈具需要恒定的驅(qū)動電流來得到恒定的光通量。LED驅(qū)動器成為LED燈具的必備件。在光學(xué)、熱學(xué)、機械工程、電力電子這四個專業(yè)領(lǐng)域，各廠商在LED燈具行業(yè)形成很清晰的產(chǎn)業(yè)分工。這給傳統(tǒng)的線性電源和開關(guān)電源廠商帶來了轉(zhuǎn)型升級的商業(yè)機遇。傳統(tǒng)的線性電源和開關(guān)電源廠商開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)LED驅(qū)動器市場。LED燈具的系統(tǒng)工程師為了增加LED散熱的表面積，在傳統(tǒng)的GU10、PAR20的燈具外形表面開槽，并且槽的深度向本體下陷，給LED驅(qū)動器留下一個狹小的空間。這給電力電子工程師帶來了新的挑戰(zhàn)，他們需要在面積僅為10*16 mm2 PCB中應(yīng)對90-264Vac寬電壓輸入范圍、LED恒流、原副邊電氣隔離并滿足EMI等多方面的挑戰(zhàn)。

第一代驅(qū)動方案

華潤矽威在2010年推出了第一代原邊反饋離線式3-7W LED驅(qū)動方案PT4203和PT4204。PT4203是原邊反饋恒流控制器，適用于7W以下的LED球泡燈或PAR燈。 PT4204是內(nèi)置MOSFET原邊反饋恒流的穩(wěn)流器，適用于3W的LED燈杯。PT4203/04采用原邊反饋控制LED恒流，取消了傳統(tǒng)的二次側(cè)的電流反饋環(huán)中的器件如偵測電流的電阻，TL431和光耦。PT4203/04還采用了主MOSFET源極驅(qū)動的架構(gòu)，這樣芯片的供電與變壓器的輔助繞組無關(guān)。這樣簡化了芯片的供電和變壓器的設(shè)計，并可以驅(qū)動串聯(lián)不同LED數(shù)目的燈串。圖1為采用PT4204的典型應(yīng)用電路。適用用于3W LED燈杯。PT4204的外圍零件的個數(shù)僅為6個，為業(yè)界最簡化的方案。在90-264Vac全電壓輸入范圍，單片的電流精度為±3%。采用EE10壓器，效率為72.5%。

圖1：采用PT4204的典型應(yīng)用電路

PT4203/04在2010年推出后，給電力電子工程師在狹小的空間設(shè)計驅(qū)動器帶來了便利性。PT4203/04在業(yè)界被廣泛的采用。雖然PT4203/4204單片電流精度可達到±3%，但因為模擬IC的工藝相對數(shù)字IC工藝的標(biāo)準化的程度要差一些。PT4203/PT4204在客戶端大批量生產(chǎn)時，不同的芯片之間的電流精度在±10%。LED廠商普遍認為，光通量與LED的正向電流成正比，利用相同的電流驅(qū)動所有LED，那么每個LED會產(chǎn)生相同的光通量。其實，這個結(jié)論不完全正確。因為光源LED的一致性也是關(guān)鍵點。比如，經(jīng)過分檔后的LED光通量的誤差還有3.5%。輸出的光通量流明和光照度勒克斯才是LED燈具的重點。不過，電流的測量很容易實現(xiàn)，而光的測量則需要昂貴的儀器。所以LED燈具廠商需要更高精度的LED電流。

第二代驅(qū)動方案

2011年9月，華潤矽威推出了單片電流精度為±1%第二代原邊反饋離線式3-7W LED驅(qū)動方案PT4213和PT4215。在大批量生產(chǎn)時，PT4213/15的電流的精度可達±3%。同時，為了提高效率，PT4213/15刪去了控制主MOSFET源極的內(nèi)部低壓MOSFET，改為主MOSFET的柵極驅(qū)動。芯片的供電也從主MOSFET的源極改為從主變壓器的輔助繞組。PT4213是原邊反饋恒流控制器，適用于7W以下的LED球泡燈或PAR燈；PT4215是內(nèi)置MOSFET原邊反饋恒流的穩(wěn)流器，適用于3W的LED燈杯。

圖2是采用PT4215的3W LED燈杯的典型應(yīng)用電路。驅(qū)動電路采用反激架構(gòu)，工作在DCM模式。采用無光藕設(shè)計，方案簡潔可靠，成本低廉。驅(qū)動電路能夠接受85VAC~265VAC輸入范圍，輸出電流300mA，驅(qū)動3顆1W LED串聯(lián)的燈串。

圖2：采用PT4215的典型應(yīng)用電路

PT4215采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式，通過改變開關(guān)頻率實現(xiàn)LED的恒流輸出。IC通過CS管腳設(shè)定變壓器初級側(cè)峰值電流，通過FB腳檢測輸出電壓，根據(jù)輸出電壓的大小產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)頻率實現(xiàn)恒定電流輸出。輸出電流大小可表示為：

公式1

其中，Nps為變壓次初級與次級繞組比例，R5為采樣電阻大小，η為轉(zhuǎn)換效率。

圖3是實測效率及調(diào)整率曲線圖；110Vac輸入條件下，最高效率超過80%；在100-240Vac的輸入電壓范圍，LED電流的變化只有1mA。圖4是220Vac輸入條件下，驅(qū)動器的傳導(dǎo)EMI波形，該驅(qū)動器只采用了∏型濾波網(wǎng)絡(luò)，初次級間未加Y安規(guī)電容，EMI輕松通過EN55015B測試標(biāo)準。圖5是Demo板Layout圖，變壓器初次級間距離超過5mm，可通過3750V耐高壓測試。

圖3 PT4215效率及調(diào)整率特性曲線

圖4 PT4215 3W EMI@220Vac

圖5 PT4215 Demo板頂層和底層

本文小結(jié)

本文介紹了華潤矽威第一代和第二代原邊反饋離線式3-7W LED驅(qū)動方案PT4203/04和PT4213/15及其3W LED燈杯的典型應(yīng)用電路，并給出了實驗數(shù)據(jù)及波形?；赑T4213/15的3-7W的LED驅(qū)動器以其寬電壓輸入范圍內(nèi)，單片±1%恒流精度和高達80%轉(zhuǎn)換效率將成為LED燈具廠商的理想解決方案。

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