徐　晶,付賢松,牛萍娟

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室,天津 300387)

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基于AC/DC數(shù)字電源控制器IW1810的LED驅(qū)動電路設(shè)計*

徐晶1,3,付賢松2,3,4*,牛萍娟2,3,4

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室,天津 300387)

摘要:IW1810集成了一個64 kHz的PWM控制器和一個800 V的BJT,該芯片采用數(shù)控技術(shù),工作在準(zhǔn)諧振模式,提供過流和輸出過壓保護(hù),簡化外圍元件確保電路的高效性,無載功率小于100 mW。設(shè)計一款基于IW1810高度集成、高效恒流的AC/DC LED驅(qū)動電路,電路工作在90 V到264 V的寬電壓范圍內(nèi),輸出恒流340 mA,輸出功率為4 W,效率高達(dá)80%以上,電路板面積僅為18 mm×38 mm。

關(guān)鍵詞:LED驅(qū)動;IW1810;準(zhǔn)諧振模式;效率

IW1810是一款高性能的AC/DC電源控制設(shè)備,內(nèi)部的功率雙極晶體管BJT,使得外部元器件的數(shù)量達(dá)到最少,簡化了EMI設(shè)計,降低了總體的物料成本。IW1810消除了次級反饋電路的需要,同時實現(xiàn)了極好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié),在保持以上所有工作條件穩(wěn)定的前提下,也消除了環(huán)路補償[1]元件的需求。該芯片的逐脈沖波形分析技術(shù)[2]使得環(huán)路響應(yīng)比傳統(tǒng)的方案要快,從而使動態(tài)負(fù)載響應(yīng)得到提高,內(nèi)置的功率限制功能使得在通用離線應(yīng)用中的變壓器得到優(yōu)化,而且滿足了寬范圍的輸入電壓的要求。LED驅(qū)動電源的小體積、輕量化、便攜性和高效性已經(jīng)成為了當(dāng)今的發(fā)展趨勢,適應(yīng)需求設(shè)計高集成度、高效率的LED驅(qū)動電路具有重要的意義。

1　IW1810的主要功能

IW1810是一款內(nèi)部集成了功率雙極管的數(shù)字控制器,IW1810的原理框圖如圖1所示。它采用一種專有的初級側(cè)控制技術(shù),來消除傳統(tǒng)設(shè)計中的光電隔離反饋電路和次級調(diào)節(jié)電路的需求。這就使得為低功耗AC/DC適配器提供了低成本的解決方案。核心的PWM處理器使用固定頻率連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)使其工作在高功率水平,在小負(fù)載條件下切換到變頻工作模式使得頻率最大化。此外,IWatt數(shù)字控制技術(shù)使得動態(tài)響應(yīng)更快,輸出調(diào)節(jié)更緊密,并且具有初級側(cè)全功能電路的保護(hù)。

圖1　IW1810的原理框圖

1.1內(nèi)置雙極晶體管

IW1810的設(shè)計中一個最大的亮點就在于內(nèi)置800 V的功率雙極晶體管BJT,一方面,內(nèi)部800 V的功率晶體管能夠勝任寬范圍高浪涌脈沖工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,MOSFET相比,通過柔性的開關(guān)轉(zhuǎn)換速率減少了電磁干擾的產(chǎn)生。另一方面,內(nèi)置的雙極晶體管減少了外圍元器件的數(shù)量以及面積[3],使得電路更加簡單,體積更加輕便,更適合于小型設(shè)備的使用。

1.2初級側(cè)反饋的工作原理

圖2為反激式變換器[4]工作原理的簡圖。當(dāng)功率雙極管Q1工作在ton(t)導(dǎo)通時間內(nèi)時,整流輸出的交流市電電壓Vg(t)流過功率雙極晶體管Q1,電流為ig(t),電能變?yōu)榇拍艽鎯τ陂_關(guān)變壓器初級繞組LM中,這時,二極管D1反偏,負(fù)載電流由次級側(cè)電容CO上的電壓提供,當(dāng)功率雙極晶體管Q1關(guān)斷時,二極管D1導(dǎo)通,存儲于開關(guān)變壓器初級繞組LM中的電能被釋放到輸出負(fù)載。

圖2　反激式變換器工作原理圖

為了確保能很好地調(diào)節(jié)輸出電壓,需精確地檢測輸出電壓和輸出電流,對工作于電流不連續(xù)導(dǎo)通(DCM)工作模式的反激變換器,輸出電壓和輸出電流的信息可以通過輔助繞組或反激開關(guān)變壓器的初級磁化電感(LM)繞組獲得,在功率雙極晶體管Q1導(dǎo)通工作期間,負(fù)載電流由輸出濾波電容CO提供,初級磁化電感(LM)繞組上的電壓為vg(t),假設(shè)功率雙極晶體管Q1導(dǎo)通工作期間上的電壓降為0,通過功率雙極晶體管Q1的線性電流上升斜率可利用式(1)計算:

(1)

在功率雙極晶體管Q1導(dǎo)通工作結(jié)束期間的電流峰值可以利用式(2)計算:

(2)

儲存在初級磁化電感(LM)繞組上的電能可以利用式(3)計算:

(3)

在功率雙極晶體管Q1關(guān)斷工作期間,初級磁化電感(LM)繞組上的電流ig(t)迫使初級磁化電感(LM)繞組上的電壓極性反相,如果忽略由于開關(guān)變壓器漏感LK在關(guān)斷瞬間而引起的交疊時間,次級負(fù)載電流峰值可以利用式(4)計算:

(4)

輔助繞組上的電壓可以利用式(5)計算:

(5)

1.3多模式PWM/PFM控制

IW1810使用專有的自適應(yīng)多模式PWM/PFM控制,大幅度提高輕負(fù)載效率,從而提高了整體平均效率。大負(fù)載和恒定電壓的條件下,IW1810通常工作在脈沖寬度調(diào)制(PWM)的模式下。在PWM模式下,開關(guān)頻率保持在恒定值。隨著輸出負(fù)載電流IOUT減少,開啟時間ton也在減小,控制器自動轉(zhuǎn)換到脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。在PFM模式下,在給定的瞬時整流AC輸入電壓下雙極晶體管的開啟時間設(shè)置在一個持續(xù)的時間,但是他的關(guān)斷時間是通過負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)試的。隨著負(fù)載電流的減少,關(guān)斷時間增加,開關(guān)頻率減少。

隨著負(fù)載電流進(jìn)一步降低,IW1810轉(zhuǎn)換到深PFM模式(DPFM),這樣使得開關(guān)頻率減少到一個很低的水平。

1.4動態(tài)基極電流的控制

IW1810的一個重要特點是,它直接驅(qū)動動態(tài)基極電流控制內(nèi)部BJT開關(guān)設(shè)備,以優(yōu)化性能。BJT的基極電流[5]范圍從10 mA到31 mA,根據(jù)供電負(fù)荷的變化來動態(tài)控制。輸出功率越高,基極電流越大。

1.5內(nèi)置環(huán)路補償設(shè)計

IW1810采用內(nèi)部的數(shù)字誤差放大器沒有外部環(huán)路補償?shù)囊蟆τ谝粋€典型的電源設(shè)計,保證提供至少45°的相位裕度和-20 dB的增益裕度的環(huán)路穩(wěn)定性[6]。

2　基于IW1810的LED開關(guān)電源設(shè)計

驅(qū)動電源是LED的動力之源,由于LED發(fā)光的非線性和對溫度的敏感性[7],采用恒流驅(qū)動[8]已逐漸形成共識。本文根據(jù)IW1810芯片的功能以及特點,設(shè)計了一款LED開關(guān)電源,電源整體設(shè)計電路如圖3所示。

圖3　基于IW1810的3 W LED驅(qū)動電路

2.1設(shè)計要求

此次設(shè)計LED開關(guān)電源的要求為:電源輸入交流電壓范圍為90 V～264 V,電源負(fù)載為4顆1 W的LED燈,開關(guān)電源可以恒定輸出340 mA的電流,輸出功率為4 W,電源效率[9]可達(dá)80%。根據(jù)設(shè)計要求,本設(shè)計的LED驅(qū)動電源PCB板的實物圖如圖4所示。此開關(guān)電源的面積僅為18 mm×38 mm,十分小巧輕便。

圖4　LED驅(qū)動電源實物圖

2.2測試結(jié)果

為了檢測本次所設(shè)計的LED開關(guān)電源是否達(dá)到設(shè)計要求,對該電路進(jìn)行如下測試。輸入交流電壓范圍在90 V到264 V之間進(jìn)行變換,分別在90 V、170 V、220 V、240 V和264 V的交流電壓下測試該電源性能。測試數(shù)據(jù)記錄表格如表1所示。電源經(jīng)檢測在寬范圍輸入電壓下均可以驅(qū)動4顆1 W的LED。在交流220 V的電壓下,輸出電壓為12.3 V,如圖5所示。本電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,輸出電流為340 mA,存在很小的紋波電流,測試結(jié)果如圖6所示。

表1　不同交流輸入電壓下的測試結(jié)果(測試負(fù)載為4顆1 W LED)

圖5　驅(qū)動4顆LED的開關(guān)電源

圖6　開關(guān)電源的電流波形測試圖

3　結(jié)論

本文基于IW1810芯片的特點及功能設(shè)計了一款具有穩(wěn)定輸出電流的開關(guān)電源,充分利用了IW1810內(nèi)置雙極晶體管的優(yōu)點,所設(shè)計的開關(guān)電源的尺寸僅為18 mm×38 mm,十分適合便攜式電子設(shè)備的使用。其寬輸入交流電壓范圍從90 V到264 V,使其適用的范圍更廣泛,經(jīng)測試,可以穩(wěn)定的輸出340 mA的電流,輸出電壓為12.3 V,輸出功率為4 W,同時驅(qū)動4個1 W的LED燈穩(wěn)定工作,電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%。

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徐晶(1989-),女,天津人,碩士研究生,研究方向為開關(guān)電源設(shè)計與開發(fā),15822864379@163.com;

付賢松(1976-),男,漢族,浙江平陽人,天津工業(yè)大學(xué),副教授,博士學(xué)位,主要研究方向為數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計,大功率白光LED驅(qū)動芯片及驅(qū)動電源設(shè)計,fuxians@163.com。

BasedontheAC/DCDigitalPowerSupplyControllerIW1810LEDDriverDesign*

XUJing1,3,FUXiansong2,3,4*,NIUPingjuan2,3,4

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;3.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System,Ministry of Education,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;4.Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin 300387,China)

Abstract:The IW1810 incorporates a 64 kHz controller and a 800 V BJT.The device uses the numerical control technology and operates in quasi-resonant mode to provide current and output overvoltage protection,while minimizing the external component count and ensuring the high efficiency,no load power is less than 100 mW.Based on IW1810 designed a highly integrated,high efficient and constant current AC/DC LED driver circuit was designed.The circuit operates at 90 V to 264 V wide voltage range,output current is 340 mA,output power is 4 W,efficiency up to 80%,the area of the designed source is only 18 mm×38 mm.

Key words:LED Driver;IW1810;quasi-resonant mode;efficiency

doi:EEACC:4260D;121010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.015

中圖分類號:TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0650-04

收稿日期:2013-07-19修改日期:2013-09-08

項目來源:國家科技支撐計劃課題項目(2011BAE01B01);國家863計劃項目(2010AA03A1A7)