高性能LED恒流驅動方案

高PF、高性能LED恒流驅動方案FAE盛歡2012-10高PF、高性能LED恒流驅動方案FAE盛歡內容提要原邊反饋（PSR）單級PFC恒流方案的特點、原理PT4209的性能特點及各主要功能的實現原理性能特點精確的恒流控制原理調光功能原理保護功能原理DEMOBOARD性能及相關設計要點2內容提要原邊反饋（PSR）單級PFC恒流方案的特點、原理23PF（功率因數）與THD（總諧波失真）PF與THD的關系：THD（TotalHarmonicDistortion）：表征波形的失真程度系統(tǒng)功率因數：衡量電力被有效利用的程度IEC61000-3-2Class-C電流諧波限制標準電網用電設備自身消耗功率從電網吸收的功率返還給電網的功率PFC（PowerFactorCorrection，功率因數校正

）技術：被動PFC技術小功率一般采用填谷線路，增大整流管導通角，減小THD。大功率一般采用工頻電感，利用電感電流不能突變原理，減小THD主動PFC技術強制讓輸入電流跟隨輸入電壓，并在工作時使輸入電流近似為正弦波，減小THD。3PF（功率因數）與THD（總諧波失真）PF與THD的關系：4PSR單級PFC恒流方案的特點PSR單級PFC恒流方案的工作電壓和電流波形無PFC方案的工作電壓和電流波形傳統(tǒng)整流濾波電路導致輸入電流產生嚴重畸變傳統(tǒng)方案存在輸入電解輸入電壓和電流基本同步，實現低諧波和高PF低THD(電流諧波)，高PF(功率因數)采用主動PFC技術，工作時輸入電壓和電流基本同步，同時輸入電流近似為正弦波體積小輸入端無電解電容采用PSR，無需光耦及431PSR單級PFC的特點4PSR單級PFC恒流方案的特點PSR單級PFC恒流方案的無5PSR單級PFC恒流的原理

為了更簡單更直接地得到恒流輸出，一般使芯片工作在臨界/斷續(xù)模式，其副邊的電流方程為：芯片內部邏輯框圖經內部乘法器計算得到Vcs*Tdis/Tsw由DET采樣得到Tdis/Tsw由CS采樣得到Vcs只要設計芯片得到恒定的Vcs*Tdis/Tsw，那么就可以通過外部設計合適的匝比和采樣電阻得到恒定的輸出電流值。5PSR單級PFC恒流的原理為了更簡單更直接6高PF值，全電壓輸入下PF值>0.95原邊反饋（無需光耦及431）支持PWM調光/Analog（模擬）調光輸出電流精度高，單片達±1.5%，批量可控制在±3%之內準諧振工作模式低啟動電流(10uA)低靜態(tài)電流(1mA)保護功能齊全1、VCC欠壓鎖定功能

2、輸出開路/短路保護3、逐周期過流保護4、采樣電阻開路保護5、過溫保護

符合RoHS標準PT4209特點PT4209內部框圖PT4209PSR準諧振單級PFCLED恒流驅動器PT4209典型應用電路6高PF值，全電壓輸入下PF值>0.95PT4209特點PT7精確的恒流控制原理輸出電流計算公式：PT4209進行兩次過零采樣，得到精確的LC諧振周期，并將其補償到下一個周期。基本消除批量時LC諧振對恒流精度的影響影響輸出電流的參數：N、Rcs由芯片外部決定Vcs、Tsw由芯片直接采樣獲得Tdis需要兩次過零采樣再經計算才能得到精確值很多芯片簡單的采取判斷DET過零近似認為是Tdis的結束，該檢測方式使批量時的恒流精度偏差較大估算1/4LC諧振周期對恒流精度的影響：一般初級電感量Lp精度±10%；一般MOSFET輸出寄生電容Coss精度±10%（查MOSFET規(guī)格書）；得到1/4LC諧振周期最大誤差±10%。若LC諧振周期為3us，1/4LC諧振周期誤差最大為0.15us，若系統(tǒng)頻率為50KHz，則恒流精度偏差達0.75%；若系統(tǒng)頻率為100KHz，則恒流精度偏差達1.5%7精確的恒流控制原理輸出電流計算公式：PT4209進行兩次過8PT4209調光原理芯片內部調光示意圖1、輸入PWM信號PWM高電平要高于2.4V，建議高于2.8VPWM低電平要低于0.6V，建議低于0.4V滿足上述輸入條件時，輸入PWM信號將覆蓋內置三角波信號，否則會導致實際輸出與輸入的PWM信號不一致2、輸入Analog（模擬）信號芯片將直流電平轉換為27KHz的PWM信號輸入為0.6V-2.4V的直流電平，超出該范圍則無調光效果8PT4209調光原理芯片內部調光示意圖1、輸入PWM信號9PT4209的保護——輸出OVPDET做輸出OVP時各電壓波形1、DETOVP動作機理輸出電壓升高輔助繞組的電壓及DET電壓也隨著升高DET升高至4V，芯片關斷DRV輸出輔助繞組無法提供VCC電壓，導致VCC電壓下降VCC電壓下降至UVLO點后，芯片關斷所有的內部電路由于啟動電阻上的供電電流大于芯片的開啟電流，VCC電壓開始回升，進入重啟狀態(tài)若輸出電壓還是過高，DET再次檢測到OVP，芯片進入打嗝模式9PT4209的保護——輸出OVPDET做輸出OVP時各電10PT4209的保護——輸出SCP輸出短路時各電壓波形1、SCP動作機理輸出短路輔助繞組的電壓下降至約0V

由于輔助繞組無法提供VCC電壓，導致VCC電壓下降同時由于DET檢測不到零點而導致芯片將工作頻率降至20KHz，同時將CS的電壓限定在0.8V以限制輸出功率VCC電壓下降至UVLO點后，芯片關斷所有的內部電路由于啟動電阻上的供電電流大于芯片的開啟電流，VCC電壓開始回升VCC達到開啟電壓后恢復DRV輸出由于短路未移除，芯片進入打嗝模式10PT4209的保護——輸出SCP輸出短路時各電壓波形111PT4209Demo-board輸入：85-265Vac輸出：16*1WLED(51.2V/300mA)高達0.95PF值，THD<12%，滿足IEC61000-3-2（ClassC）諧波電流的要求高恒流精度，單片電流調整率小于±1.5%。高達90%的轉換效率調光線性度好11PT4209Demo-board輸入：85-265Va12功率因數測試曲線PF

>0.95@264VacMax.PF＝0.995??！PT4209的特性：PF值與Vin/(Nps*Vout)相關設計要點：增大初次級間匝數比可提高PFMOSFET選型時可選用650V耐壓值來取代600V12功率因數測試曲線PF>0.95@264VacPT420恒流特性曲線13整體調整率<±1.5%！設計要點：保證Vcs采樣準確Rcs的地要和芯片地接在同一點主回路要小驅動回路要盡可能短恒流特性曲線13整體調整率<±1.5%！設計要點：保證Vc14PWM調光5%10%20%50%80%90%95%輸出電流(mA)17336415424327228620kHz調光信號Duty:50%Duty:10%PWM調光波形及測試曲線14PWM調光5%10%20%50%80%90%95%輸出電效率測試曲線15效率>90%！@115V/230V效率測試曲線15效率>90%！@115V/230V損耗分析-MOS16開關損耗開通損耗Psw_on關斷損耗Psw_off寄生電容損耗Psw_coss導通損耗導通損耗Pon準諧振工作模式準諧振模式，零電流開通（ZCS），降低開通損耗增加反射電壓Vf，可降低寄生電容引起的損耗縮短關斷時間，降低關斷損耗損耗分析-MOS16開關損耗準諧振工作模式準諧振模式，零電流損耗分析-變壓器17磁芯損耗磁滯損耗渦流損耗剩余損耗銅線損耗直流損耗交流損耗考慮銅線交流趨膚深度損耗分析-變壓器17磁芯損耗損耗分析-輸出二極管18二極管損耗開通損耗關斷損耗通態(tài)損耗

截止損耗開通關斷低壓應用時盡量選擇肖特基二極管高壓應用時盡量選擇快恢復或超快恢復二極管損耗分析-輸出二極管18二極管損耗開通關斷低壓應用時盡量選擇損耗分析-損耗分布19電流比230V輸入時大Fsw雖小，但ΔB大致鐵損大；同時電流大致銅損大關斷損耗占主導，同時115V輸入時Fsw較小，損耗也較小比230V輸入時稍大，但不明顯EMI濾波器損耗較大，同時VCC啟動電阻等損耗較小損耗分析-損耗分布19電流比230V輸入時大Fsw雖小，但Δ20Q&A20Q&A高PF、高性能LED恒流驅動方案FAE盛歡2012-10高PF、高性能LED恒流驅動方案FAE盛歡內容提要原邊反饋（PSR）單級PFC恒流方案的特點、原理PT4209的性能特點及各主要功能的實現原理性能特點精確的恒流控制原理調光功能原理保護功能原理DEMOBOARD性能及相關設計要點22內容提要原邊反饋（PSR）單級PFC恒流方案的特點、原理223PF（功率因數）與THD（總諧波失真）PF與THD的關系：THD（TotalHarmonicDistortion）：表征波形的失真程度系統(tǒng)功率因數：衡量電力被有效利用的程度IEC61000-3-2Class-C電流諧波限制標準電網用電設備自身消耗功率從電網吸收的功率返還給電網的功率PFC（PowerFactorCorrection，功率因數校正

）技術：被動PFC技術小功率一般采用填谷線路，增大整流管導通角，減小THD。大功率一般采用工頻電感，利用電感電流不能突變原理，減小THD主動PFC技術強制讓輸入電流跟隨輸入電壓，并在工作時使輸入電流近似為正弦波，減小THD。3PF（功率因數）與THD（總諧波失真）PF與THD的關系：24PSR單級PFC恒流方案的特點PSR單級PFC恒流方案的工作電壓和電流波形無PFC方案的工作電壓和電流波形傳統(tǒng)整流濾波電路導致輸入電流產生嚴重畸變傳統(tǒng)方案存在輸入電解輸入電壓和電流基本同步，實現低諧波和高PF低THD(電流諧波)，高PF(功率因數)采用主動PFC技術，工作時輸入電壓和電流基本同步，同時輸入電流近似為正弦波體積小輸入端無電解電容采用PSR，無需光耦及431PSR單級PFC的特點4PSR單級PFC恒流方案的特點PSR單級PFC恒流方案的無25PSR單級PFC恒流的原理

為了更簡單更直接地得到恒流輸出，一般使芯片工作在臨界/斷續(xù)模式，其副邊的電流方程為：芯片內部邏輯框圖經內部乘法器計算得到Vcs*Tdis/Tsw由DET采樣得到Tdis/Tsw由CS采樣得到Vcs只要設計芯片得到恒定的Vcs*Tdis/Tsw，那么就可以通過外部設計合適的匝比和采樣電阻得到恒定的輸出電流值。5PSR單級PFC恒流的原理為了更簡單更直接26高PF值，全電壓輸入下PF值>0.95原邊反饋（無需光耦及431）支持PWM調光/Analog（模擬）調光輸出電流精度高，單片達±1.5%，批量可控制在±3%之內準諧振工作模式低啟動電流(10uA)低靜態(tài)電流(1mA)保護功能齊全1、VCC欠壓鎖定功能

2、輸出開路/短路保護3、逐周期過流保護4、采樣電阻開路保護5、過溫保護

符合RoHS標準PT4209特點PT4209內部框圖PT4209PSR準諧振單級PFCLED恒流驅動器PT4209典型應用電路6高PF值，全電壓輸入下PF值>0.95PT4209特點PT27精確的恒流控制原理輸出電流計算公式：PT4209進行兩次過零采樣，得到精確的LC諧振周期，并將其補償到下一個周期?；鞠繒rLC諧振對恒流精度的影響影響輸出電流的參數：N、Rcs由芯片外部決定Vcs、Tsw由芯片直接采樣獲得Tdis需要兩次過零采樣再經計算才能得到精確值很多芯片簡單的采取判斷DET過零近似認為是Tdis的結束，該檢測方式使批量時的恒流精度偏差較大估算1/4LC諧振周期對恒流精度的影響：一般初級電感量Lp精度±10%；一般MOSFET輸出寄生電容Coss精度±10%（查MOSFET規(guī)格書）；得到1/4LC諧振周期最大誤差±10%。若LC諧振周期為3us，1/4LC諧振周期誤差最大為0.15us，若系統(tǒng)頻率為50KHz，則恒流精度偏差達0.75%；若系統(tǒng)頻率為100KHz，則恒流精度偏差達1.5%7精確的恒流控制原理輸出電流計算公式：PT4209進行兩次過28PT4209調光原理芯片內部調光示意圖1、輸入PWM信號PWM高電平要高于2.4V，建議高于2.8VPWM低電平要低于0.6V，建議低于0.4V滿足上述輸入條件時，輸入PWM信號將覆蓋內置三角波信號，否則會導致實際輸出與輸入的PWM信號不一致2、輸入Analog（模擬）信號芯片將直流電平轉換為27KHz的PWM信號輸入為0.6V-2.4V的直流電平，超出該范圍則無調光效果8PT4209調光原理芯片內部調光示意圖1、輸入PWM信號29PT4209的保護——輸出OVPDET做輸出OVP時各電壓波形1、DETOVP動作機理輸出電壓升高輔助繞組的電壓及DET電壓也隨著升高DET升高至4V，芯片關斷DRV輸出輔助繞組無法提供VCC電壓，導致VCC電壓下降VCC電壓下降至UVLO點后，芯片關斷所有的內部電路由于啟動電阻上的供電電流大于芯片的開啟電流，VCC電壓開始回升，進入重啟狀態(tài)若輸出電壓還是過高，DET再次檢測到OVP，芯片進入打嗝模式9PT4209的保護——輸出OVPDET做輸出OVP時各電30PT4209的保護——輸出SCP輸出短路時各電壓波形1、SCP動作機理輸出短路輔助繞組的電壓下降至約0V

由于輔助繞組無法提供VCC電壓，導致VCC電壓下降同時由于DET檢測不到零點而導致芯片將工作頻率降至20KHz，同時將CS的電壓限定在0.8V以限制輸出功率VCC電壓下降至UVLO點后，芯片關斷所有的內部電路由于啟動電阻上的供電電流大于芯片的開啟電流，VCC電壓開始回升VCC達到開啟電壓后恢復DRV輸出由于短路未移除，芯片進入打嗝模式10PT4209的保護——輸出SCP輸出短路時各電壓波形131PT4209Demo-board輸入：85-265Vac輸出：16*1WLED(51.2V/300mA)高達0.95PF值，THD<12%，滿足IEC61000-3-2（ClassC）諧波電流的要求高恒流精度，單片電流調整率小于±1.5%。高達90%的轉換效率調光線性度好11PT4209Demo-board輸入：85-265Va32功率因數測試曲線PF

>0.95@264VacMax.PF＝0.995??！PT4209的特性：PF值與Vin/(Nps*Vout)相關設計要點：增大初次級間匝數比可提高PFMOSFET選型時可選用650V耐壓值來取代600V12功率因數測試曲線PF>0.95@264VacPT420恒流特性曲線33整體調整率<±1.5%！設計要點：保證Vcs采樣準確Rcs的地要和芯片地接在同一點主回路要小驅動回路要盡可能短恒流特性曲線1