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針對35W以下的LED照明應用 可達控制成本效益解決方案
 

【作者: Alexander Craig】   2013年06月21日 星期五

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典型的低功率 LED 解決方案多採用單串 LED,或為 LED 驅動器提供單一輸入和輸出控制點。 這些驅動器必須執行任何 LED 電源供應器的基本功能,例如功率調節、功率轉換及負載控制。 高功率解決方案可以利用特定的階段來執行這些功能。 35W 以下的低功率解決方案(例如燈泡)必須儘量以較少的階段執行全部三項功能,因為成本和空間十分昂貴。


低功率 LED 設計的挑戰,在於能夠達成由安規標準所制定的功率調節, 同樣取決於安規標準的功率轉換則必須安全有效, 以及再加入絕佳的負載控制, 此包括取決於市場接受度的恆定電流調節和調光精度。 FL7730 和 FL7732 皆能有效達成上述平衡,並在單一階段執行全部三項功能。 有了這些解決方案,全部三項功能之間會產生明顯的相互影響。 為了瞭解這些解決方案,我們將首先並著重於說明功率調節和功率轉換。 負載控制的相互影響會出現於功率調節,但是為了符合功率調節標準和市場需求,瞭解如何達成功率調節(例如 EMI 需求和功率因數)則至關重要。 接下來是瞭解負載控制,例如故障保護、恆定電流控制及調光。


返馳式設計(Flyback)多用於低功率隔離 LED 電源供應器,但是並非所有Flyback皆相同。 Flyback的運作和調節將影響系統效能和成本。 用於低功率電源供應器的典型Flyback不具備功率因數校正功能,且在橋式整流器之後會有一個高壓電解電容器。 這些電源供應器通常為次級側調節 (Secondary Side Regulated, SSR),意指其具備光耦合器、參考電壓,以及可回應負載電荷的 1kHz 快速迴路頻寬。 此類Flyback並不適用於 LED 照明,理由有二: 不具備功率因數校正功能,且通常設定為穩壓電源供應器,因為恆定電流驅動 LED 的效果較佳。


在單級返馳是 PFC 中,藉由使用固定式變動切換頻率方式的邊界或臨界傳導模式 PFC 控制器,可獲得優質的功率因數。 此特性可提升和維持功率因數,但會增加變壓器之圈數比「n」和輸出電壓的限制。 方程式 1 說明輸入電流為相角的函數。


此方法一般利用 SSR 恆定電流控制方式,以直接測量負載電流和電壓。 測量負載電流時會造成功率損耗,但可獲得些許優質的恆定電流控制,不過還需要光耦合器。 這些電源供應器以大約 20Hz 的低回饋迴路運作,因其為非動態,因此適合 LED 負載。 使用低電壓(LED 串電壓)電容器時,可讓典型返馳式設計中的高壓電解電容器完成儲能的動作。


為了因應單級返馳 PFC 的成本限制,有些人已嘗試使用搭配被動 PFC 的初級側調節 (PSR) 返馳式設計。 此方法可以減少 SSR 上的功率損耗及 MOSFET 上的電壓壓力,但是其製程在初級側採用 HV 電容器及其他零件,會限制功率因數、使用壽命及尺寸。


為了讓 LED 應用能夠達到具成本效益的功率調節、功率轉換及負載控制平衡,FL7730 和 FL7732 採用了新的方法。 此兩款 PWM 控制器採用不同類型的單級拓樸和初級側調節,能以較少的組件製造隔離式 LED 驅動器,不需高壓輸入電容器或 SSR 回饋電路即可有效降低成本。 請參閱圖 1 經過簡化的整體電路圖。



圖一 : 圖 1
圖一 : 圖 1

為了獲得優質的功率因數及低 THD,Flyback以導通時間恆定的固定頻率,透過半正弦波於 DCM 中運作。 透過此方法,優質的功率因數將不需要高反射電壓,因此可以使用較便宜的 600V MOSFET 來取代昂貴的 800 或 900V MOSFET。


FL7730 及 FL7732 的中央為 PSR 負載控制功能區塊, 此獨特的電路稱為 TRUECURRENT 控制,並已通過充電器等應用產品的驗證。 透過在 TRUECURRENT 控制中加入兩個關鍵特性,FL7732 及 FL7730 能夠準確地調節輸出電流,以因應輸入電壓、輸出電壓的變動及激磁電感變化。 針對 FL7730 設計,此裝置也支援簡單但有效的調光。


TRUECURRENT 控制區塊的基本運作如圖 2 和方程式 2 所示。



圖二 : 圖 2
圖二 : 圖 2

方程式 2 說明輸出電流是如何由二極體峰值電流和變壓器所儲存之能量的放電時間所決定。 輸出電流 (IOUT) 為穩定狀態之二極體電流的平均值,是使用由電流感測電阻器所測量的峰值電感電流估計而得,其來源為 MOSFET 及電感電流放電時間 (Tdis),是由圖 1 所示的 VS pin 測量而得。因為輸出電流 (IOUT) 為穩定狀態之二極體電流的平均值, 選擇適當的電流感測電阻器 (RCS ),可測量峰值汲極電流值和峰值檢測電路。 IOUT 是透過電感放電時間計算所得,並且可在 VS pin 中測量出來。 當二極體電流歸零時,VS pin 的電壓會開始急速下降,如圖 1 所示。這些切換期間 (TS) 的測量和知識,是 TRUECURRENT 控制區塊的要素。


這些輸出資訊會與精確的內部參照比較而產生錯誤電壓 (VCOMI),以確定恆定電流模式運作之 MOSFET 的工作週期 (Q1)。 此創新技術在於 FL7732 及 FL7730 如何精確控制恆定電流輸出。 如圖 4 和表 1 所示,其為使用評估板所得的測量結果,顯示在 11V 至 28V 寬廣的輸出電壓範圍之間的恆定電流誤差,低於每一線性輸入電壓的 2.1%。


針對照明所加入的第一個關鍵特性,是接收來自 VS pin 之線性電壓的資訊,並將其用於修改峰值電流電路的線性補償器。 此創新解決方案可在寬廣的輸入電壓範圍之間,提供極些微的允差和恆定電流調節。 如圖 4 和表 2 所示,其為使用評估板所得的測量結果,顯示在額定輸出電壓 (24V) 時,寬廣線性調節中的恆定電流誤差低於 2.1%。



圖三 : 恆定電流調節
圖三 : 恆定電流調節

針對照明所加入的第二個關鍵特性為調光控制功能,如圖 1 所示。透過簡易型電阻分配器網路和 RC 濾波器,將 AC 線性電壓的工作週期轉換成 DC 電壓,其位於 FL7730 的 DIM pin,如圖 5 所示。雙角度 (two-angle) 控制區塊用於補償電流感測,並作為 TRUECURRENT 計算區塊的輸入。 此相較於特定調光角度的高階調光控制,其等於低 RMS 輸入電壓。 此控制 LED 強度的方法雖簡單但有效,幾乎適用於各種型式的調光控制,包括最困難的 TRIAC 調光, 或是簡單的 DC 輸入解決方案或 PWM 輸入解決方案,可經過濾波以產生 DC 電壓。 DIM pin 之 pin 5 所產生之電壓間的關係,如圖 6 所示。有關負載控制和調光的詳細解釋,將會在爾後的文章中說明。 更多 TRIAC 調光的詳細資訊,請參閱應用指南 http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9745.pdf。


(本文由Fairchild提供)


圖四 : 圖4
圖四 : 圖4

圖五 : 圖 5
圖五 : 圖 5
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