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无辅助绕组的原边控制LED恒流驱动电路设计

作者:fanxiaoxi 时间:2023-11-21 收藏

  1 引 言
  LED(Light Emitting Diode)照明作为一种节能高效、绿色环保的照明技术,在室内外照明、交通信号灯、汽车照明、背光显示等领域[1]的应用日益广泛。因此,研究高效能的LED驱动技术具有深远的经济价值与社会意义。
  由于LED需要恒流源供电,市电需要经过一个驱动器将高压交流电转换为低压恒流源供LED使用。近年来,各大芯片厂商陆续推出用于LED驱动的反激式拓扑的原边控制(Primary Side Regulation,PSR)芯片,省去了变压器副边用于反馈的光耦,体积缩小,成本降低[2],从而使得反激式电路在LED驱动领域的应用范围大大增加。
  文献[3]介绍了一种传统的原边控制反激式LED恒流驱动器,其中变压器具有三个绕组,分别为原边绕组、副边绕组和辅助绕组。辅助绕组用于将变压器退磁信号反馈给芯片,实现恒流控制。本文提出一种特殊的恒流控制方式,从而无需辅助绕组的反馈作用,进一步缩小了系统体积,降低了整个驱动器的成本。
  文章第2节主要介绍无辅助绕组的原边控制LED恒流驱动电路的整体结构
  2 LED恒流驱动电路的整体结构与恒流原理
  2.1 整体结构
  本文介绍的LED恒流驱动电路的整体结构如图1所示。输入电容C1对外部输入电压进行滤波,同时也起到降低EMI的作用。系统输入电压通过启动电阻R1和储能电容C2给VCC供电。由于整个电路的工作电压极低,所以无需辅助绕组的额外供电。15V的LDMOS对650V的VDMOS进行源极驱动,两个开关管同步开启和关断。开关管开启后,采样电阻Rcs采样原边绕组电流,当其两端电压达到检测阈值时,CS信号将开关管关闭。
  根据楞次定律,Np和Ns上的电压反向,续流二极管D5正向导通,原边储存的能量传递给副边,通过副边向输出电容C3充电,向负载LEDs提供能量。当副边绕组电流降到0后,OUT引脚出现谐振,通过零电流检测比较器ZCD将功率开关管再次开启。由于电路设计在DCM模式,所以电流降到0后还有一段死区时间,负载靠输出电容上的储能工作。
  图1 LED恒流驱动电路的整体结构

  2.2 恒流原理
  输出电流与副边电感电流有直接关系,是副边电感电流的平均值:

  (1)
  其中RCS为采样电阻阻值,Vref为内部基准电压,NP为原边匝数,NS为副边匝数,Tdemag为副边退磁时间,T为功率管开关周期。从式(1)中可以看出,如果外围确定,则RCS、NP、NS都确定,本设计通过恒流控制模块,保证Tdemag/T=1/2,从而实现输出恒流。
  恒流控制模块原理图如图2所示。CS比较的输出高电平控制电容C的放电,ZCD比较器的输出高电平控制电容C的充电,电流源与电流沉保证电容C的充放电斜率相等。当电容上的电压达到Vref2时,功率开关管开启,当采样电阻RCS上的电压达到Vref时,功率开关管关闭。图3为电容C上的电压波形,可以看出Tdemag=Ton+Tdead,从而实现Tdemag/T=1/2。

   根据前面描述的控制方法,设计了LED恒流驱动电路。下面给出LED恒流驱动电路的测试结果,主要考察不同输入和输出条件下,其恒流精度和转换效率。
  以3W的应用为例,具体应用图见图4,其测试结果见表1和表2。可以看出,恒流精度小于5%,转换效率不低于70%,基本达到设计要求。

   4 结 论
  设计了一款无辅助绕组的原边控制反激式LED恒流驱动器。介绍了整体结构和特殊的恒流控制方式,无需变压器辅助绕组的反馈和供电,降低了外围电路的复杂程度,缩小了系统的体积,节省了整个驱动器的成本。在全电压工作范围内,满足线性调整率小于5%的恒流精度要求,满足负载调整率小于5%的恒流精度要求。该LED恒流驱动器应用于交流输入、小功率隔离型LED照明。
  参 考 文 献:
  [1] 卜登立. 多路模拟开关CD4067在LED点阵显示屏中的应用[J]. 微电子学与计算机, 2006, 23(8): 53-54.
  [2] Suetomi,Kuriaki,Wengzong Lin. A novel output voltage regulation strategy for primary side of flyback converter[C] // Telecommunications Energy Conference. Amsterdam, 2011: 1-4.
  [3] 谌敏飞,洪志良. 一种原边控制的小功率反激式LED恒流驱动电路[J]. 微电子学, 2015.6, 45(3):298-302.
  作者简介:
  石磊(1972-),石磊,男,江苏南通人,江苏省期科技企业家,南通富士通微电子股份有限公司总裁,博士就读于复旦大学研究方向为微电子学与固体电子学。
  黄少卿(1989— ),男(汉族),江苏无锡人,硕士,方向为数模混合集成电路与集成系统设计。



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