對(duì)傳統(tǒng)照明源白熾燈而言,驅(qū)動(dòng)是輕而易舉的事情,只要讓燈泡直接與電壓源連接就行了。大多數(shù)能源都是以恒定電壓的形式存在的,這使得白熾燈的驅(qū)動(dòng)成本相當(dāng)?shù)?。然而,LED有一個(gè)光輸出強(qiáng)度,這與它的電流及正向壓降成正比,并隨溫度而變化。因此,LED需要一個(gè)恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng),并需要額外的電路。傳統(tǒng)上,LED的離線恒定電流驅(qū)動(dòng)器一般是采用帶輸出電流調(diào)節(jié)電路 (見(jiàn)圖1)的隔離反激式轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)一個(gè)檢測(cè)電阻測(cè)量實(shí)際的LED電壓,然后與參考電壓數(shù)值進(jìn)行比較,得出誤差電壓。該誤差電壓經(jīng)由光耦合器被傳送到初級(jí)端,用于控制初級(jí)端開(kāi)關(guān)器件的占空比。盡管這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)出色的LED電流調(diào)節(jié),但輸出調(diào)節(jié)電路需要光耦合器、參考電壓和檢測(cè)電阻,大大增加了系統(tǒng)成本,降低了總體效率。
初級(jí)端調(diào)節(jié)(primary sideregulation,PSR)技術(shù)可能是將離線LED驅(qū)動(dòng)器的成本降至最低的最佳解決方案。這項(xiàng)技術(shù)只需驅(qū)動(dòng)器初級(jí)端的信息,就可精確控制次級(jí)端的LED電流,不僅消除了輸出電流檢測(cè)損耗,同時(shí)省去所有次級(jí)反饋電路,從而在不產(chǎn)生龐大成本的前提下提高離線LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的效率。此外,該技術(shù)無(wú)須次級(jí)端反饋電路,即可調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓,這相當(dāng)于提供了一種開(kāi)燈過(guò)壓保護(hù)功能,進(jìn)一步確保了驅(qū)動(dòng)器的可靠性。本文將論述初級(jí)端調(diào)節(jié)技術(shù)的基本工作原理,并介紹一種高集成度的初級(jí)端調(diào)節(jié)PWM控制器。與傳統(tǒng)的次級(jí)端調(diào)節(jié)方法相比,這種控制器擁有多種顯著的優(yōu)勢(shì)。
初級(jí)端調(diào)節(jié)的基本概念
圖2為初級(jí)端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其典型波形。一般而言,斷續(xù)傳導(dǎo)模式(discontinuousconductionmode,DCM)輸出調(diào)節(jié)性能較好,因此是初級(jí)端調(diào)節(jié)的首選工作模式。初級(jí)端調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于如何在無(wú)直接檢測(cè)的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數(shù)值,通過(guò)傳統(tǒng)的PI控制方法就可以輕易進(jìn)行控制了。
在MOSFET導(dǎo)通時(shí)間(TON)內(nèi),初級(jí)端電感(Lm)加載輸入電壓(VIN)。于是,MOSFET電流(Ids)從0線性增加到峰值(Ipk)。在這段時(shí)間內(nèi),能量從輸入端轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)在電感中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí),存儲(chǔ)在電感中的能量促使整流二極管(D)導(dǎo)通。在二極管導(dǎo)通時(shí)間(TD)內(nèi),輸出電壓(Vo)加載在次級(jí)端電感上(Lm×Ns2/Np2),二極管電流(ID)從峰值(Ipk×Np/Ns)線性下降至0。在TD結(jié)束時(shí),所有存儲(chǔ)在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間,輸出電壓和二極管正向壓降之和反映到輔助繞組端,表示為(Vo+VF)×Na/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小,在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí),二極管電流減小為0,故這時(shí)輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此,通過(guò)在二極管導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)對(duì)繞組電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單采樣,就可以得到輸出電壓的信息,而二極管導(dǎo)通時(shí)間則可通過(guò)監(jiān)控輔助繞組電壓而獲得。
同時(shí),輸出電流的估算需要一些乘法計(jì)算。假設(shè)輸出電流與二極管穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均電流相等,輸出電流可通過(guò)下式估算:Io=Ipk×(Np/Ns)×(TD/2Ts)。輸出電流估算器通過(guò)一個(gè)峰值檢測(cè)電路來(lái)獲取漏極電流峰值,并利用二極管導(dǎo)通時(shí)間(TD)計(jì)算出輸出電流。
集成式初級(jí)端調(diào)節(jié)控制器
初級(jí)端調(diào)節(jié)PWM控制器是一種專門處理初級(jí)端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的技術(shù)。這種技術(shù)可顯著簡(jiǎn)化滿足更嚴(yán)苛效率要求的設(shè)計(jì)難題,并省去增加成本和可靠性問(wèn)題的外部組件,如光耦合器和KA431。圖3為FAN102的內(nèi)部模塊示意圖。該器件具有一個(gè)用于誤差放大器的容差為±1%的內(nèi)部參考電壓,可以根據(jù)外部組件的容差將輸入電流/電壓變化減至最小,另外還帶有一個(gè)集成式外部組件溫度變化補(bǔ)償電路,無(wú)論溫度如何變化,均可獲得高精度。其內(nèi)部振蕩器具有跳頻功能以減小EMI,可在輸入端使用小型線路濾波器。
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