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高PF、高性能LED恒流驱动方案 FAE 盛欢 2012-10 内容提要 原边反馈（PSR）单级PFC恒流方案的特点、原理 PT4209的性能特点及各主要功能的实现原理 性能特点 精确的恒流控制原理 调光功能原理 保护功能原理 DEMO BOARD性能及相关设计要点 Company Confidential 2 PF（功率因数）与THD（总谐波失真） 系统功率因数：衡量电力被有效利用的程度 PF 有功功率 视在功率 Vrm s * Irm s(1) Vrm s * Irm s (n) 2 n 1 cos( ) Irm s(1) 从电网吸 收的功率 cos( ) Irm s (n) 电网 2 n 1 THD（Total Harmonic Distortion）：表征波形的失真程度 返还给电 网的功率 用电设备自 身消耗功率 Irm s (n) 2 THD n2 *100% Irm s(1) PF与THD的关系： PF 1 1 (THD) 2 cos( ) PFC（Power Factor Correction，功率因数校正 ）技术： 被动PFC技术 • 小功率一般采用填谷线路，增大整流管导通角， 减小THD。大功率一般采用工频电感，利用电 感电流不能突变原理，减小THD 主动PFC技术 • 强制让输入电流跟随输入电压，并在工作时使 输入电流近似为正弦波，减小THD。 3 Company Confidential IEC61000-3-2 Class-C 电流谐波限制标准 PSR单级PFC恒流方案的特点 PSR单级PFC的特点 低THD(电流谐波)，高PF(功率因数) • 传统方案存在 输入电解 采用主动PFC技术，工作时输入电压和电流 基本同步，同时输入电流近似为正弦波 体积小 • • 输入端无电解电容 采用PSR，无需光耦及431 传统整流滤波电路 输入电压和电流 基本同步，实现 低谐波和高PF 导致输入电流 产生严重畸变 无PFC方案的 工作电压和电流波形 PSR单级PFC恒流方案的 工作电压和电流波形 4 Company Confidential PSR单级PFC恒流的原理 VINS VCC 为了更简单更直 接地得到恒流输出， 一般使芯片工作在临 界/断续模式，其副边 的电流方程为： IO Regulator & UVLO CTRL Comparator 1 N Tdis * * (Vcs * ) 2 Rcs Tsw 只要设计芯片得到恒 定的Vcs *Tdis/Tsw ，那么 就可以通过外部设计合适 的匝比和采样电阻得到恒 定的输出电流值。 DRV ZCD & OVP DIM Io_cal Soft Start & DIM Control Current Sense & Current Limit DET 由DET采样得 到Tdis/Tsw CS 由CS采样得 到Vcs 经内部乘法器 计算得到 Vcs *Tdis/Tsw gm COMP 1 N * *Vref 2 Rcs 芯片内部逻辑框图 5 Company Confidential DRV Vref GND IO Supply PT4209 PSR准谐振单级PFC LED恒流驱动器 PT4209特点 PT4209内部框图 VINS VCC CTRL Comparator DRV ZCD & OVP DIM Io_cal Soft Start & DIM Control 高PF值，全电压输入下PF值>0.95 原边反馈（无需光耦及431） 支持PWM调光/Analog（模拟）调光 输出电流精度高，单片达±1.5%，批量 可控制在±3%之内 准谐振工作模式 低启动电流(10uA) 低静态电流(1mA) 保护功能齐全 1、VCC欠压锁定功能 2、输出开路/短路保护 3、逐周期过流保护 4、采样电阻开路保护 5、过温保护 符合RoHS标准 Supply Regulator & UVLO DRV DET Current Sense & Current Limit CS Vref gm COMP GND PT4209典型应用电路 D3 AC 85～264V R2 Rst C2 R11 D1 R3 C1 R12 D2 C3 R4 C4 VINS COMP GND PT4209 VCC R6 DET DIM DRV CS Rcs 6 Company Confidential 精确的恒流控制原理 输出电流计算公式： IO 1 N Tdis * * (Vcs * ) 2 Rcs Tsw 影响输出电流的参数： N 、Rcs由芯片外部决定 Vcs 、Tsw由芯片直接采样获得 Tdis需要两次过零采样再经计算才 能得到精确值 估算1/4 LC谐振周期对恒流精度的影响： 一般初级电感量Lp精度±10%； 一般MOSFET输出寄生电容Coss精度±10% （查MOSFET规格书）； 得到1/4 LC谐振周期最大误差±10%。 若LC谐振周期为3us， 1/4 LC谐振周期误差最 大为0.15us，若系统频率为50KHz，则恒流精 度偏差达0.75%；若系统频率为100KHz，则恒 流精度偏差达1.5% 很多芯片简单的采取判 断DET过零近似认为是 Tdis的结束，该检测方 式使批量时的恒流精度 偏差较大 7 Company Confidential PT4209进行两次 过零采样，得到 精确的LC谐振周 期，并将其补偿 到下一个周期。 基本消除批量时 LC谐振对恒流精 度的影响 PT4209 调光原理 1、输入PWM信号 PWM高电平要高于2.4V，建 议高于2.8V PWM低电平要低于0.6V，建 议低于0.4V 满足上述输入条件时，输入 PWM信号将覆盖内置三角波 信号，否则会导致实际输出与 输入的PWM信号不一致 Vref Vcs tdis/T Vins gm Vcs 电压电流 转换 DIM 2.4V 27kHz 2、输入Analog（模拟）信号 芯片将直流电平转换为27KHz 的PWM信号 输入为0.6V-2.4V的直流电平， 超出该范围则无调光效果 0.6V 芯片内部调光示意图 8 Company Confidential PWM off PT4209 的保护——输出OVP 1、DET OVP动作机理 输出电压升高 辅助绕组的电压及DET电压也随着升高 DET升高至4V，芯片关断DRV输出 辅助绕组无法提供VCC电压，导致 VCC电压下降 VCC电压下降至UVLO点后，芯片关断 所有的内部电路 由于启动电阻上的供电电流大于芯片的 开启电流， VCC电压开始回升，进入 重启状态 若输出电压还是过高，DET再次检测到 OVP，芯片进入打嗝模式 DET做输出OVP时各电压波形 9 Company Confidential PT4209 的保护——输出SCP 1、SCP动作机理 输出短路 辅助绕组的电压下降至约0V 由于辅助绕组无法提供VCC电 压，导致VCC电压下降 同时由于DET检测不到零点而 导致芯片将工作频率降至 20KHz，同时将CS的电压限定 在0.8V以限制输出功率 VCC电压下降至UVLO点后， 芯片关断所有的内部电路 由于启动电阻上的供电电流大 于芯片的开启电流， VCC电压 开始回升 VCC达到开启电压后恢复DRV 输出 由于短路未移除，芯片进入打 嗝模式 输出短路时各电压波形 10 Company Confidential PT4209 Demo-board 输入：85-265Vac 输出：16*1W LED (51.2V/300mA) 高达0.95 PF值， THD<12%，满足IEC61000-3-2（Class C）谐波电流的要求 高恒流精度，单片电流调整率小于±1.5% 。 高达90%的转换效率 调光线性度好 11 Company Confidential 功率因数测试曲线 PF >0.95@264Vac Max. PF＝0.995！！ PT4209的特性： PF值与Vin/(Nps*Vout)相关 设计要点： 增大初次级间匝数比可提高PF MOSFET选型时可选用650V耐 压值来取代600V Company Confidential 12 恒流特性曲线 整体调整率 <±1.5% ！ 设计要点：保证Vcs采样准确 Rcs的地要和芯片地接在同一点 主回路要小 驱动回路要尽可能短 Company Confidential 13 PWM调光波形及测试曲线 20kHz 调光信号 PWM调光 5% 10% 20% 50% 80% 90% 95% 输出电流(mA) 17 33 64 154 243 272 286 PWM Dimming vs Output Current(mA) Vin=220Vac, 16LED serial，PT4209 Duty: 50% 350 Output Current(mA) 300 95%, 286 90%, 272 250 80%, 243 200 50%, 154 150 100 Duty: 10% 16LED 20%, 64 50 10%, 33 5%, 17 0 0% 20% 40% 60% PWM Dimming (percent) 14 Company Confidential 80% 100% 效率测试曲线 效率>90% ！ @115V/230V Company Confidential 15 损耗分析-MOS 开关损耗 • 开通损耗 Psw_on • 关断损耗 Psw_off • 寄生电容损耗 Psw_coss 导通损耗 • 导通损耗 Pon 1 (t 6 t 5) 1 (t 7 t 6) Psw _ off ( *Vds ) * Ipk * Vds * ( * Ipk ) * 2 Tsw 2 Tsw 1 Psw _ Coss * Coss * (Vin Vf ) 2 * fsw 2 Pon Irmsp2 * Rdson* D 增加反射电压Vf，可降 低寄生电容引起的损耗 准谐振模式，零电 流开通（ZCS）， 降低开通损耗 准谐振工作模式 Company Confidential 缩短关断时间， 降低关断损耗 16 损耗分析-变压器 磁芯损耗 • 磁滞损耗 • 涡流损耗 • 剩余损耗 铜线损耗 • 直流损耗 • 交流损耗 考虑铜线交流趋肤深度 Company Confidential Pcore k * f m * Bn *Ve 2 2 Pwind K * I RMSp * RDCp K * I RMSs * RDCs 2 2 Pwind K * I RMSp * RACp K * I RMSs * RACs 17 损耗分析-输出二极管 二极管损耗 • 开通损耗 • 关断损耗 • 通态损耗 • 截止损耗 低压应用时尽量选择肖 特基二极管 高压应用时尽量选择快 恢复或超快恢复二极管 开通 Company Confidential 关断 18 损耗分析-损耗分布 EMI滤波 器损耗较 大，同时 VCC启 动电阻等 损耗较小 230Vac input 115Vac input 11% 19% 25% 电流比230V 输入时大 28% 21% Fsw虽小，但ΔB 大致铁损大；同时 电流大致铜损大 4% 1% 25% 14% 14% 比230V输入时 稍大，但不明显 13% 整流桥 MOS 采样电阻 Company Confidential 变压器 次级整流管 其他 关断损耗占主 导，同时115V输 入时Fsw较小， 损耗也较小 19 25% 整流桥 MOS 采样电阻 变压器 次级整流管 其他 Q&A Company Confidential 20