小尺寸非隔離恒流18W【LED凈化燈】燈驅動(dòng)方案

摘要：文章詳細介紹了基于TRUEC2技術(shù)非隔離BUCK拓撲，來(lái)實(shí)現18W極高精度日光燈LED凈化燈恒流控制。試驗證明，全閉環(huán)TRUEC2技術(shù)實(shí)時(shí)檢測真實(shí)輸出電流，免受輸入電壓、外部電感影響，突破性地提高了LED輸出電流的精度。集成MOSFET,簡(jiǎn)化外圍線(xiàn)路；控制方式免受電感影響。體積小可內置于日光燈燈頭，是理想的非隔離恒流驅動(dòng)方案。最后，對于LED驅動(dòng)電源未來(lái)發(fā)展趨勢及其擔憂(yōu)，筆者提出了自己的觀(guān)點(diǎn)。

　　進(jìn)入2013年，我們切身感受到了LED行業(yè)發(fā)展的陣陣暖意。目前有好幾個(gè)趨勢正在推動(dòng)LED凈化燈照明市場(chǎng)的發(fā)展。首先是高亮度LED效率的不斷提升和高效率高可靠性恒流LED驅動(dòng)電源的不斷涌現，其次是全球立法禁止白熾燈照明和CFL節能燈的逐步淡出（它含有對環(huán)境有害的水銀）。這些因素綜合起來(lái)正使得LED凈化燈照明成為一個(gè)長(cháng)期的發(fā)展趨勢。更重要的是，低成本（包括LED燈珠、散熱系統和LED驅動(dòng)器）是消費者廣泛采用LED通用照明的原始推動(dòng)力。除了節能減排的重大使命以外，LED相比于其他光源更可控的特點(diǎn)使其可能革命性的豐富人們的用光環(huán)境，提供許多新穎的光影世界。而實(shí)現這些應用最為關(guān)鍵的環(huán)節就是驅動(dòng)：LED光源的大腦。更小體積、更少元件、更低成本、更強大，這些是市場(chǎng)對LED驅動(dòng)電源的“苛刻”要求。

　　本文介紹的這種極簡(jiǎn)線(xiàn)路18W LED凈化燈驅動(dòng)方案，尺寸小于一枚一元硬幣，成本是目前市場(chǎng)主流方案的一半左右，是順應這種“苛刻”要求而生的。簡(jiǎn)單即完美的哲學(xué)在這種方案里發(fā)揮得淋漓盡致。

　　2.1 第三代非隔離LED恒流控制技術(shù)閉環(huán)算法TRUEC2簡(jiǎn)介

　　針對LED照明負載特點(diǎn)，目前非隔離式的恒流驅動(dòng)電源的拓撲結構基本上是BUCK降壓結構。非隔離LED恒流控制技術(shù)的發(fā)展分為三代，從最初的固定頻率模式，到后來(lái)的固定關(guān)斷時(shí)間模式，嚴格說(shuō)都不是真正的閉環(huán)恒流，一直發(fā)展到今天，所使用的是第三代非隔離控制技術(shù)閉環(huán)算法，稱(chēng)為T(mén)RUEC2的控制策略。上海占空比半導體公司的DU8618芯片，基于TRUEC2驅動(dòng)技術(shù)，對于各種外圍元件不敏感，這就在提高可靠性和精度的同時(shí)，降低了整體方案的成本。

　　所謂的閉環(huán)，即真正檢測輸出電流值，以此為標準來(lái)發(fā)出PWM信號。所謂開(kāi)環(huán)，不以檢測到的輸出電流值來(lái)做發(fā)出PWM信號的參考。從電路拓撲上，二者沒(méi)有區別，都是非隔離的BUCK降壓拓撲。但是在芯片內部有兩個(gè)基準，一個(gè)是峰值基準，一個(gè)是平均值基準。芯片檢測到電感電流信號，做專(zhuān)利技術(shù)處理，如圖1 TRUEC2部分做積分處理及峰值控制。這樣，就檢測到了電感電流的平均值，也就是輸出電流的平均值。芯片針對檢測到的值，控制輸出占空比，實(shí)現了閉環(huán)控制。這種控制結構，使得線(xiàn)路極為簡(jiǎn)單，由于閉環(huán)控制電流，相比于開(kāi)環(huán)方式，此線(xiàn)路短路亦恒流。這在生產(chǎn)應用中是非常重要的，這相當于大大降低了系統發(fā)生故障的風(fēng)險。使得這種方案不僅在性能上有了質(zhì)的飛躍，在可靠性上也大大提高。DU8618集成了1A的高壓MOSFET,又將簡(jiǎn)化線(xiàn)路做到了極致，通過(guò)低電流、高電壓的設計，降低損耗，讓1A MOSFET集成封裝于小體積的SOP8中，可以勝任所有18W以?xún)鹊姆歉綦xLED驅動(dòng)需求。

圖1:芯片內部TRUEC2部分模塊工作示意

2.2 DU8618集成開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化線(xiàn)路實(shí)現全閉環(huán)18W LED凈化燈恒流控制

　　DU8618是基于TRUEC2技術(shù)，專(zhuān)門(mén)用于18W LED非隔離日光燈驅動(dòng)的芯片。

　　基本電參數要求如下：

　　輸入電壓范圍：180~265VAC/50Hz 典型效率：>95%

　　輸出電壓范圍：60~180VDC 輸出電流：90mA

　　標稱(chēng)輸出功率：18W

　　圖2:全閉環(huán)非隔離降壓恒流18W LED日光燈驅動(dòng)電源示意圖

　　圖3:DU8618輸出18W非隔離LED日光燈驅動(dòng)電源尺寸示意

　　圖4:PCB布板圖

　　圖2原理圖顯示，實(shí)現18W的輸出功率，方案所需的所有元件為僅14個(gè)。圖3、圖4的直觀(guān)顯示表明，該方案小于一枚一元硬幣。上文介紹的先進(jìn)的控制方式是實(shí)現更高的功率密度的根本原因。實(shí)際意義并不僅僅是提高了功率密度。技術(shù)進(jìn)步所帶來(lái)的還包括：線(xiàn)路更簡(jiǎn)單、成本降低、恒流精度更高。95%的效率高于市場(chǎng)大部分方案，小電流、高電壓的設計思路是實(shí)現如此高效率的關(guān)鍵。

　　2.3 實(shí)驗結果

　　對于輸入電壓、負載LED變化情況下，我們測試得到如下線(xiàn)性、負載調整率結果：

 

　　圖5:系統線(xiàn)性調整率

圖5的線(xiàn)性調整率接近0,這是因為芯片逐周期閉環(huán)控制，立刻響應，不會(huì )引起輸出電流變化。在實(shí)現如此理想的線(xiàn)性調整率的同時(shí)，還省卻了第二代控制芯片因為線(xiàn)性補償的許多外圍元器件，簡(jiǎn)單即完美的哲學(xué)在此設計中再一次體現。

　　圖6:系統負載調整率

　　高負載調整率的實(shí)際意義是多套燈負載可以用一套電源。例如12串輸出是36V左右，24串輸出是72V左右，如果設計電流值相同，可以使用同一套電源，對于電源廠(chǎng)，在生產(chǎn)中對于備料、庫存管理有顯著(zhù)價(jià)值。值得一提的是，如圖6,此系統在短路的時(shí)候依然實(shí)現了恒流，這就意味著(zhù)：1. 短路保護通過(guò)最安全的方式實(shí)現。2. 這是真正意義的全負載恒流。

　　圖5、6可以看到，由于閉環(huán)控制，在設計的正常工作范圍內，輸出電流維持定值，單顆系統可以認為是恒定的輸出電流，即線(xiàn)性調整率接近0,負載調整率為±0.5%.量產(chǎn)時(shí)，由于參數一致性分布，大量試產(chǎn)數據表明，恒流精度小于±2%.

圖7:開(kāi)關(guān)波形

　　下面我們來(lái)看一下元件清單。

 

　　總成本BOM成本低于$3.5.這個(gè)成績(jì)跟某些阻容降壓或者線(xiàn)性高壓方案比，算不上特別，但考慮到這樣的線(xiàn)性調整率、負載調整率以及系統效率，以及沒(méi)有任何工頻紋波的輸出恒流效果，筆者無(wú)意盲從眾生，高舉“低成本”的噱頭，只想表達簡(jiǎn)單的設計哲學(xué)在成本核算時(shí)體現得淋漓盡致。

　　3 趨勢展望

　　筆者認為，隨著(zhù)絕緣散熱材料的優(yōu)化普及，非隔離驅動(dòng)方案是大勢所趨。其更高的效率實(shí)際意義除了降低能耗，更提高了LED燈珠使用率，降低成本，給消費者帶來(lái)動(dòng)力。某些低價(jià)隔離方案，事實(shí)上完全沒(méi)有達到隔離的安規，劍走偏鋒，不利于長(cháng)遠發(fā)展。

　　好在LED行業(yè)目前是個(gè)典型的短周期行業(yè)，技術(shù)而非資本是核心競爭力。大膽的預測：

　　- 隔離單級PF高紋波的方案遲早被“一級半”方案（高PF、低紋波、體積緊湊）所替代。

　　- 線(xiàn)性高壓LED方案會(huì )逐步替代阻容降壓方案。

　　- 成熟“一級半”方案大量面市之前，非隔離方案將漸漸奪取隔離方案的份額。

　　- 非隔離方案亦朝兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是高端填谷式高效率、高PF、低紋波方案。一個(gè)是本文的全閉環(huán)超高性?xún)r(jià)比方案，其目標是讓LED日光燈在維持高品質(zhì)的情況下，讓市場(chǎng)售價(jià)迫近30元人民幣，會(huì )引起市場(chǎng)爆發(fā)。

　　- 可控硅調光方案，雖然伴隨著(zhù)頑固的在墻上的可控硅會(huì )存留，并且有大量棄而不舍的廠(chǎng)商嘗試做“全兼容方案”,但隨著(zhù)先進(jìn)LED調光技術(shù)的興起，將退出歷史舞臺。取而代之的方案將給人們

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