具有TRIAC亮度調(diào)節(jié)功能的7W單級(jí)PFC LED照明設(shè)計(jì)
2014-02-14
作者：Jamie Zhang、Linda Ye和Jimmy Liu
來(lái)源：德州儀器 (TI) 電源現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用/中國(guó)電源參考設(shè)計(jì)
摘要
本報(bào)告介紹了具有TRIAC亮度調(diào)節(jié)功能的7W AC/DC LED照明驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)。該解決方案采用具有一次側(cè)恒定功率控制的單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）反相拓?fù)洹Ｎ恼聻槟榻B功率轉(zhuǎn)換器的完整分析與設(shè)計(jì)。最后，我們還為您提供了基于7W應(yīng)用獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，便可適用于其他應(yīng)用。
1、 引言
本PMP4304A參考設(shè)計(jì)是一款使用TI TPS92210 LED照明功率控制器的TRIAC亮度調(diào)節(jié)單級(jí)功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器。本LED應(yīng)用主要針對(duì)PAR燈泡更換，其擁有小體積、低成本、高PF和高TRIAC亮度調(diào)節(jié)性能。
該解決方案采用帶有一次側(cè)恒定功率控制的單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）反相轉(zhuǎn)換器。它在沒有光耦合器的情況下，在單級(jí)反相拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)了一次側(cè)恒定功率控制。這種驅(qū)動(dòng)器可使用高線壓AC或者低線壓AC工作。輸出可提供350mA的恒定電流，以驅(qū)動(dòng)6支串聯(lián)LED。
2、 工作原理
2．1 功率因數(shù)校正單級(jí)反相轉(zhuǎn)換器
這種單級(jí)功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器采用隔離式反相AC/DC拓?fù)洌袮C輸入線壓整流為輸入正弦電流的DC輸出。單級(jí)反相拓?fù)浔粡V泛用作隔離式LED解決方案，因?yàn)樗鼡碛蟹浅５偷腂OM成本和高效率。
圖1單級(jí)反相轉(zhuǎn)換器
傳統(tǒng)的單級(jí)反相解決方案均采用轉(zhuǎn)換模式來(lái)按時(shí)調(diào)節(jié)常量，以實(shí)現(xiàn)PFC功能。但是，轉(zhuǎn)換模式的反相拓?fù)洳⒎菫樽匀籔FC，因?yàn)檎伎毡群皖l率經(jīng)常變化。因此，PF和THD在這種條件下的準(zhǔn)確性并不高。
但是，一次側(cè)恒定功率單級(jí)反相是一種自然PFC。
首先，輸入電壓可設(shè)置為：
那么，利用方程式2可計(jì)算出平均輸入電流。
通過方程式1和2，輸入功率計(jì)算如下：
在一次側(cè)，恒定功率方案為：
在方程式4中，K為常量，K的值取決于系統(tǒng)總功率。
當(dāng)Vin的RMS變化時(shí)，占空比反向變化。當(dāng)Vin的RMS受限時(shí)，占空比不再變化。因此，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，占空時(shí)間和占空度恒定。
與此同時(shí)，為了保持恒定功率，系統(tǒng)保持在相同的開關(guān)頻率下。
由于Ton、L、f和Vin均為常量，因此輸入電流為方程式2的自然正弦。
另一方面，輸入功率也為方程式3的常量。
總之，我們可以看到，在這種應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)的方案，一次側(cè)恒定功率單級(jí)方案擁有一定的優(yōu)勢(shì)。首先，一次側(cè)恒定功率方案是一種自然的PFC，其PF和THD均優(yōu)于傳統(tǒng)方案。其次，顧名思義，一次側(cè)恒定功率方案僅受一次側(cè)控制。因此，可以把光耦合器排除在外，從而達(dá)到低成本BOM。
2.2 TPS92210控制器和系統(tǒng)運(yùn)行
就TPS92210控制器而言，有一個(gè)OTM引腳，其可以通過連接它的電阻器來(lái)控制Ton時(shí)間；詳情如下：
為了實(shí)現(xiàn)一次側(cè)恒定功率控制，我們使用下列電路，如圖2所示。
圖2一次側(cè)恒定功率控制的前饋電路
假設(shè)Vin_rms = x，Ton和Vin_rms之間的關(guān)系可計(jì)算如下：
該公式可簡(jiǎn)寫為方程式7：
為了滿足一次側(cè)恒定功率控制的要求( Vrms *Ton = K)，選擇B=0。同時(shí)，可根據(jù)輸入功率選擇A和C。
圖3為7W舉例計(jì)算以后的模擬結(jié)果。輸入電壓變高時(shí)Ton時(shí)間變小。與此同時(shí)，輸入功率必須保持恒定。
圖3Ton時(shí)間vs Vin_rms和輸入功率vs Vin_rms
3 7W離線恒定功率LED照明驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)規(guī)范
表1電氣設(shè)計(jì)規(guī)范
|
規(guī)范項(xiàng)目 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
|
輸入AC 電壓 |
180Vac |
220Aac |
265Vac |
|
輸出電流容限 |
347mA |
356mA |
372mA |
|
LED 數(shù)量 |
|
6 |
|
|
功率因數(shù) |
0.975 |
0.944 |
0.902 |
|
無(wú)TRIAC 調(diào)節(jié)的效率 |
80.90% |
81.50% |
81.20% |
3.2 原理圖
圖4PMP4304A原理圖
3.3 PCB布局
圖5電路板組裝圖—層1
圖6電路板組裝圖—層2
3.4 效率
圖7效率與輸入電壓的關(guān)系
3.5 線壓調(diào)節(jié)
圖8輸出電流與輸入電壓
3.6 功率因數(shù)
圖9功率因數(shù)與輸入電壓的關(guān)系
3.7 TRIAC亮度調(diào)節(jié)性能
表2不同亮度調(diào)節(jié)器導(dǎo)通角的輸出電流
圖10輸出電流與亮度調(diào)節(jié)器導(dǎo)通角的關(guān)系
圖11不同導(dǎo)通角的輸入電流與輸入電壓
4 結(jié)論
本文分析了一次側(cè)恒定功率控制單級(jí)反相LED驅(qū)動(dòng)器，并介紹了使用基于TPS92210的一次側(cè)控制的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我們還實(shí)施了一款實(shí)際的7W設(shè)計(jì)。它體現(xiàn)了TPS92210解決方案的諸多好處，如小外形尺寸、低成本、高PF和高TRIAC亮度調(diào)節(jié)性能。
參考文獻(xiàn)
1、《TPS92210產(chǎn)品說明書》，LED照明功率控制器