使用一次側回授的 4.2 W GU10 LED 照明驅動(dòng)器

摘要

本文將向您介紹一款使用了 TI 離線(xiàn)一次側傳感控制器 TPS92310 的低功耗 LED 照明驅動(dòng)器解決方案。由于使用了恒定的導通時(shí)間反激拓撲以及一次側傳感控制，該解決方案可以實(shí)現高效率以及良好的線(xiàn)壓和負載調節功能。就 GU10 替代 LED 燈泡而言，參考設計 PMP4325 具有合適的小外形尺寸(30mm×18mm×10mm)，其可支持常見(jiàn)的 AC 線(xiàn)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)驗顯示，就LED 照明而言，該解決方案具有良好的線(xiàn)壓和負載調節功能、高效率以及整體LED照明保護功能。

1　理論操作

1.1 TPS92310 控制器

對于額定功率較低的 LED 照明來(lái)說(shuō)，單級反激結構是一款頗具吸引力的拓撲結構。單級反激結構之所以能夠廣泛用于 LED 照明，其原因如下：

l 電隔離減少了總體物料清單成本 (BOM)

l 使用特殊控制架構(例如：恒定導通時(shí)間控制等)的高功率因數

l 相比其他雙級拓撲結構，外形尺寸更小

盡管單級反激結構用于 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：

l 高功率因數

l 穩定的線(xiàn)壓和負載調節，實(shí)現一次側回授 (PSR)

l LED 開(kāi)路或者短路保護

TI TPS92310 控制器是一種單級一次側傳感 AC/DC 控制器，用于驅動(dòng)高亮度 LED 的恒定電流。它工作在零電流檢測轉換模式 (TM) 下。線(xiàn)壓半周期內，“導通時(shí)間”(TON) 幾乎恒定不變。因此，它本身便具有功率因數校正 (PFC)，因為主繞組的峰值電流，隨輸入線(xiàn)壓曲線(xiàn)變化而變化。對 TON 進(jìn)行調節，以便將 LED 電流調節至預設水平，而該水平由一個(gè)外部檢測電阻器設置。TON 同時(shí)也用于反激、升壓以及降升壓轉換器的控制設計。這種轉換器工作在轉換模式下，使用固定不變的導通時(shí)間控制來(lái)達到高功率因數。另外，TON 還可用于對工作在轉換模式的降壓轉換器進(jìn)行控制，其通用 LED 驅動(dòng)器使用峰值電流控制。

一次側檢測不要求使用光耦合器和二次側電路，因此組件數目更少，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、輸出過(guò)壓保護 (OVP) 或者開(kāi)路 LED 保護、短路 LED 保護以及熱關(guān)機保護等功能，而所有這些功能都為 LED 照明提供了保護措施。

1.2 恒定導通時(shí)間控制

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

對于工作在轉換模式下的單級反激拓撲結構來(lái)說(shuō)，它并非本身固有的功率因數校正，因為占空比和頻率在形狀循環(huán)期間始終會(huì )不斷變化。因此，在這種條件下，功率因數和總諧波失真都不理想。幸運的是，過(guò)濾模式下工作的單級反激拓撲使用固定(恒定)TON，仍然可以達到高功率因數和低總諧波失真。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

本設計中，TPS92310 控制器被配置在恒定導通時(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，以對單級反激應用的 100-Hz 線(xiàn)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，該參考設計并非為一種沒(méi)有功率因數校正功能的單級結構，因此我們使用了一個(gè)小容量補償電容器，目的只是保持控制環(huán)路的穩定性。由于反激結構的 DC 輸入電壓較穩定，因此該開(kāi)啟時(shí)間幾乎固定不變。

1.3 一次側檢測的恒定電流控制

據此，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=一次繞組與二次級繞組的變壓器匝數比

Ip_pk=一次電流

Is_pk=二級電流

Io=平均輸出電流(LED 電流)

圖 2 電流及 Vds 電壓波形

為了調節輸出電流，該轉換器使用了一個(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。充電工作模式由內部基準電流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，其與一次側峰值電流成比例關(guān)系。COMP 電壓電平可代表柵極驅動(dòng) TON。

在正常運行期間，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電壓穩定。因此，當大容量電容器連接至COMP引腳對 100-HZ 線(xiàn)壓紋波進(jìn)行濾波時(shí)，在半個(gè)正弦周期產(chǎn)生一個(gè)固定導通時(shí)間，從而實(shí)現功率因數校正。在沒(méi)有使用功率因數校正維持環(huán)路穩定情況下，并且僅用于反激拓撲結構時(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)現了一次電流反饋與調節，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(xiàn)表示一個(gè)主控制回路。

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