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作者：華潤矽威科技(上海)有限公司系統應用總監 譚漢生 在全球節能環保的大趨勢下，LED照明由于具有高光效、高節能、長壽命、高可靠性等優點而廣受關注。許多國家政府已出臺相關政策推進LED照明應用，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。在自身優勢和利好政策的雙重驅動下，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。而現在已經商用的大功率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。 依據大功率LED的V-I特性，3-7W的LED燈具需要恒定的驅動電流來得到恒定的光通量。LED驅動器成為LED燈具的必備件。在光學、熱學、機械工程、電力電子這四個專業領域，各廠商在LED燈具行業形成很清晰的產業分工。這給傳統的線性電源和開關電源廠商帶來了轉型升級的商業機遇。傳統的線性電源和開關電源廠商開始轉戰LED驅動器市場。LED燈具的系統工程師為了增加LED散熱的表面積，在傳統的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，他們需要在面積僅為10*16 mm2 PCB中應對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。 第一代驅動方案 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是內置MOSFET原邊反饋恒流的穩流器，適用于3W的LED燈杯。PT4203/04采用原邊反饋控制LED恒流，取消了傳統的二次側的電流反饋環中的器件如偵測電流的電阻，TL431和光耦。PT4203/04還采用了主MOSFET源極驅動的架構，這樣芯片的供電與變壓器的輔助繞組無關。這樣簡化了芯片的供電和變壓器的設計，并可以驅動串聯不同LED數目的燈串。圖1為采用PT4204的典型應用電路。適用用于3W LED燈杯。PT4204的外圍零件的個數僅為6個，為業界最簡化的方案。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計驅動器帶來了便利性。PT4203/04在業界被廣泛的采用。雖然PT4203/4204單片電流精度可達到±3%，但因為模擬IC的工藝相對數字IC工藝的標準化的程度要差一些。PT4203/PT4204在客戶端大批量生產時，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，利用相同的電流驅動所有LED，那么每個LED會產生相同的光通量。其實，這個結論不完全正確。因為光源LED的一致性也是關鍵點。比如，經過分檔后的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，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驅動方案PT4213和PT4215。在大批量生產時，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源極的內部低壓MOSFET,改為主MOSFET的柵極驅動。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是內置MOSFET原邊反饋恒流的穩流器，適用于3W的LED燈杯。 圖2是采用PT4215的3W LED燈杯的典型應用電路。驅動電路采用反激架構，工作在DCM模式。采用無光藕設計，方案簡潔可靠，成本低廉。驅動電路能夠接受85VAC~265VAC輸入范圍，輸出電流300mA，驅動3顆1W LED串聯的燈串。
圖2：采用PT4215的典型應用電路 PT4215采用脈沖頻率調制(PFM)控制方式，通過改變開關頻率實現LED的恒流輸出。IC通過CS管腳設定變壓器初級側峰值電流，通過FB腳檢測輸出電壓，根據輸出電壓的大小產生相應的開關頻率實現恒定電流輸出。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為轉換效率。 圖3是實測效率及調整率曲線圖；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，驅動器的傳導EMI波形，該驅動器只采用了∏型濾波網絡，初次級間未加Y安規電容，EMI輕松通過EN55015B測試標準。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 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驅動方案PT4203/04和PT4213/15及其3W LED燈杯的典型應用電路，并給出了實驗數據及波形。基于PT4213/15的3-7W的LED驅動器以其寬電壓輸入范圍內，單片±1%恒流精度和高達80%轉換效率將成為LED燈具廠商的理想解決方案。 |
