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室內照明最普遍的燈具就是E27、GU10、PAR30、PAR38等AC220V高壓直接輸入的LED射燈。E27、Gu10 LED射燈需要AC直接變換成DC的LED恒流源,才能驅動高亮度LED光源發光。目前還不能提供單個SoC的集成電路產品,大多數是采用原邊或副邊反饋的開關電源方案。但是原邊反饋的方案存在輸出電流精度不高的問題,一般都在+-5%左右。而采用副邊反饋的反激式恒流驅動方案,輸出電流精度可達+-2%。
可用于副邊反饋的反激式恒流驅動方案的驅動IC很多,本文將詳細介紹基于PT4201控制芯片的離線式LED射燈設計技術。
PT4201是一款工作于電流模式、可驅動1W至30W照明或射燈的高亮度LED驅動控制器,適用于1W至30W的各種LED照明和射燈應用,包括E27、PAR30、PAR38等。基于PT4201的隔離式光耦反饋的高亮度LED驅動系統具有恒流精度高、外圍電路簡單、無閃爍和EMI輻射低的顯著優點。在正常工作狀態下控制器的振蕩頻率可以通過外部電阻精確設定。同時,PT4201的前側消隱電路幫助克服外部功率器件開啟瞬間的電壓毛刺,能有效避免控制器的誤動作造成的LED燈閃爍。內部集成的電流斜率補償功能提高了系統穩定性。
PT4201提供完善的保護功能以提高LED照明系統的可靠性,包括逐周期過流保護(OCP)、VDD過壓保護(OVP)以及VDD欠壓保護(UVLO)等。OUT輸出脈沖高電壓被嵌制在18V保護外部功率MOS。短路保護功能防止LED負載短路時損壞系統。
PT4201提供SOT-23-6封裝,引腳排列見圖1。
PT4201基本功能描述
PT4201集成了多種增強功能,并以其極低的啟動和工作電流、多重保護功能為小功率LED照明驅動提供性能優良可靠的低成本解決方案。
啟動及UVLO：
PT4201通過一個連接到高壓線上的電阻Rstart對連接在Vdd腳上的電容Chold充電實現啟動。在上電之初,Chold電容上的電壓為0,PT4201處于關斷狀態,從Rstart上流下的電流對Chold進行充電從而使Vdd電壓升高,當Vdd腳電壓達到芯片啟動電壓VDD-ON之后PT4201開始工作,工作之后流進Vdd電流增加,由輔助繞組開始對芯片進行供電。
優化設計的啟動電路使PT4201啟動之前VDD只消耗極低的電流,這樣可以選用比較大的啟動電阻Rstart從而改善整機效率。對于一般的通用輸入范圍的應用,一個2Mohm,1/8W的電阻和一個10uF/50V的電容可以組成一個簡單可靠的啟動電路(圖2)。
電流反饋及PWM控制：
PT4201采用光耦檢測輸出LED串的電流并通過改變輸出脈沖占空比達到輸出電流控制目的。如圖3所示,當LED電流達到設定值時,LED電流在采樣電阻R2上的壓降達到光耦發光管導通電壓,發光管導通使FB電壓下降,PT4201根據FB電壓的大小改變輸出脈沖占空比實現恒定電流輸出。
LED開路：
LED負載開路時,流過穩壓管的電流在電阻R1和R2上產生一個壓降使光耦發光管被打開,使PT4201的FB降低。當FB降低到一定程度時PT4201進入突發模式,整個系統進入低功耗模式。因此LED燈開路是安全的。
LED短路及采樣電阻短路保護：
當LED負載發生短路時,光耦發光管兩端電壓等于輸出電壓,由于輸出功率很小因此整個系統工作是安全的。當采樣電阻發生短路時,由于光耦發光管兩端電壓為零,發光管不導通導致FB電壓快速爬升到保護閾值。在Rosc為100Kohm情況下,過32mS后PT4201將自動關閉。
工作頻率設定：
PT4201的Rosc引腳為設定PWM頻率提供了方便,用一個電阻接在Rosc引腳和GND之間可以對PWM頻率進行設定(圖4)。PWM頻率與設定電阻之間的關系遵循以下關系:Fosc=6500/Rosc。FOSC單位KHz,Rosc單位Kohm。
PT4201在正常工作時會周期性地改變PWM工作頻率進行頻率抖動,周期性改變的頻率把EMI傳導干擾擴展到更寬的頻譜范圍內從而降低了傳導段的EMI干擾。
電流采樣以及前沿消隱:
PT4201的CS引腳的功能之一是采樣外部MOSFET電流進行電流斜率補償,二是提供逐周期的MOSFET過流保護功能。PT4201通過采樣與功率MOSFET串聯的采樣電阻來采樣流過MOSFET的電流,流過MOSFET的電流在采樣電阻Rcs上轉換成電壓信號,CS上電壓和FB電壓共同決定了PWM脈沖占空比。
在PWM每個導通周期當CS引腳的電壓超過內部門限電壓時MOSFET將立即被關掉防止過流對器件的損傷。過流門限電壓與MOSFET的電流可由以下關系確定：IOC=Voc/Rcs
其中IOC為MOSFET電流,Voc為過流門限電壓,Rcs為采樣電阻大小。內部過流的門限值與PWM占空比大小有關,當PWM占空比為0時,過流門限值為0.80V。
由于變壓器副繞組整流電路反向恢復時間以及初級繞組寄生電容等因素影響,在每一個PWM周期開啟瞬間會在采樣電阻上產生一個持續時間很短的尖峰電壓。為此PT4201會在MOSFET開啟后屏蔽CS采樣輸入一段時間TBLK,在這段時間內,過流保護被關閉不會關掉外部MOSFET。這樣可以避免MOSFET開啟瞬間在采樣電阻上產生的電壓毛刺而造成誤動作。PT4201提供的這種功能可以省去電流采樣電路所需的RC濾波器(圖5)。
VDD 過壓保護
當系統發生嚴重故障時,例如對于光耦開路或者反饋開路的情況,光耦輸出電流接近零致使FB端電壓上升。FB電壓上升將會使PT4201工作在過流保護狀態,因為有多余的電流供給負載,如果超出了負載所需電流大小會使輸出電壓迅速爬升。由于輔助繞組的電壓與輸出電壓成一定的比例,輸出電壓升高引起輔助繞組電壓升高進而使VDD電壓升高,當PT4201檢測到VDD引腳電壓達到過壓保護點時會關閉PWM。當OVP被觸發時由于沒有能量供給負載及輔助繞組,VDD電壓和輸出電壓下降,當降低到OVP解除電壓時將重新開啟正常工作。這時如果故障解除則正常工作,如果故障依然存在將重新進入OVP保護狀態(圖6)。
OUT輸出驅動：
PT4201的OUT腳用來驅動功率MOSFET的柵極。優化設計圖騰柱形式輸出的驅動能力使驅動強度和EMI得到良好的折衷。同時,OUT的輸出高電位被限制到了18V,從而可以保護由于VDD升高可能對MOSFET造成的損傷。內部OUT和GND之間有一個電阻,可以在芯片不工作時將外部MOSFET的柵極可靠置為0電位。
基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案
基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案應用線路是典型的反激式的拓撲結構,采用副邊反饋(即光耦反饋),以提高輸出電流精度。相比于原邊反饋電路電流精度+-5%,副邊反饋的電路精度在+-2%以內,成本只增加了0.3RMB,但卻給大批量生產時提供了便利。
3W E27的應用一般負載接3顆1W的LED,每顆LED的VF在3.4V+-0.2V左右。一般電流為300mA-350mA。工作原理如圖7所示,AC85V-265V交流電輸入,通過L1(相當于一個保險絲,抗浪涌)后接入整流橋,從整流橋出來的電壓大約為1.4XVin,電流1A左右。C1是一個濾波電容,電容值的選擇大約是負載功率的1-3倍即可,此處3W的應用采用4.7uF的電容,如選擇太小的會導致紋波大,選擇太大的空間又不允許。PT4201的VDD端一開始由R4降壓后供電,18V啟動,啟動之后就通過變壓器輔助繞組供電,電壓在9-27V之間。R1、C3和D2是一個RCD吸收回路,用來吸收Q1開關時產生的尖峰。減小R1,可以提高吸收效果,但是會導致系統效率降低,建議采用折衷的方式。PT4201的RI端所接電阻R7是用來設定開關頻率的,此處把頻率設定在65kHz。
PT4201的CS端連接采樣電阻R8、R9,設置電流。變壓器是一個重要的部件,采用反激式的拓撲結構,當Q1關斷時,變壓器5,6斷導通,D1的耐壓為變壓器輸入電壓/匝數比+變壓器輸出電壓。當Q1開時,變壓器1,2端有電流,3,4,5,6端截止,D1的耐壓為變壓器輸出電壓X匝數比+變壓器輸入電壓。D1,T1,Q1是影響效率的關鍵,D1反向耐壓與T1匝數比互相牽制。電路右邊SR1100是一個肖特基二極管或者可采用快恢復二極管整流。當空載時,R3是一個限流電阻,限制這條支路上的電流在10mA,D4在這里選用12V穩壓管,起到一個整流限壓的作用,在空載時才工作,R2是一個分流電阻,R2上流過的電流為10mA,R2左端的電壓為1V。帶負載時,R6兩端的電壓為1V左右,通過選擇電阻值不同調節輸出電流,這是1X3W的應用,工作電流設定在300mA左右。U2是光耦,當R6上的電流變大時,發光二極管上的電流變大,光敏電阻感應到之后,反饋電流到PT4201FB端,FB端電壓變小,PT4201通過調整占空比來使能量降低,隨之降低R6上的電流。由于是從輸出端采樣電流反饋到芯片,這樣的副邊反饋,實時對電流進行微調,提高了輸出電流的精度。
改變這個方案的部分設計數據,可以設計5W、7W、12W的各種方案,工作原理雷同。由于5W-12W的應用空間較大,所以允許在3W的基礎上加上一些輔助電路。如增加抗雷擊器件、可以提高EMC的共軛電感、PFC、∏濾波器等等,以提高整個電路過EMC的能力、工作效率、PFC。 (文/ 華潤矽威科技(上海)有限公司 )
參考文獻：
《Powtech 離線式LED射燈解決方案》
《PT4201Datasheet》
工商網監
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