高 PF 、高性能 LED 恒流驱动方案

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 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从电网吸收的功率电网返还给电网的功率用电设备自身消耗功率 THD（Total Harmonic Distortion）：表征波形的失真程度 PF与THD的关系： 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。 IEC61000-3-2 Class-C 电流谐波限制标准 3

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) • 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 传统方案存在输入电解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 PSR单级PFC恒流方案的工作电压和电流波形无PFC方案的工作电压和电流波形 4

PSR单级PFC恒流的原理 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：由DET采样得到Tdis/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。由CS采样得到Vcs 经内部乘法器计算得到 Vcs *Tdis/Tsw 芯片内部逻辑框图 5

PT4209 PSR准谐振单级PFC LED恒流驱动器 PT4209内部框图 PT4209特点 • 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 PT4209典型应用电路 6

精确的恒流控制原理 输出电流计算公式：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% 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

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 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芯片内部调光示意图 8

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

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

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

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 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 13

PWM调光波形及测试曲线 20kHz 调光信号 Duty: 50% Duty: 10% 14

效率测试曲线 效率>90% ！@115V/230V 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 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），降低开通损耗缩短关断时间，降低关断损耗准谐振工作模式 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 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电流比230V输入时大 Fsw虽小，但ΔB大致铁损大；同时电流大致铜损大比230V输入时稍大，但不明显关断损耗占主导，同时115V输入时Fsw较小，损耗也较小 19

Q&A

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