LED驱动器中调节恒定电压的高功率、低成本双级解决方案

引言

目前，LED照明领域有一种日益流行的趋势，即在保证高功率因数的同时，无线路频率且具有低纹波电流。日本市场要求箝位电流纹波比需小于“1.3”且纹波频率需高于100Hz；能源之星也有类似的要求，输出工作频率必须≥120Hz[1]。

图1：集成LED灯的能量之星要求

CH3： VLED、CH4： ILED

图2：17W单级中的线路频率纹波电流 

为了拥有高功率因数，单级PFC PSR-CC没有降压E-cap，因此不能消除线路频率纹波电流。在部分高端照明应用中，不能使用单级PSR-CC。传统解决方案使用三级： PFC级、反激式转换器级和次级DCDC级来解决这个问题，如图3所示。

图3：三级解决方案

显然，该电路虽然性能不错，但是太复杂，包含太多元件，成本不够低，太占空间。

本文中的双级解决方案采用了PSR技术，在保证高性能（无线路频率纹波电流和高功率因数）的同时节省了一级的成本。第1部分列出了PSR-CC和PSR-CV解决方案的电路性能分析；第2部分则解释了如何实现双级PSR-CV解决方案。第3部分解释了双级PST-CV解决方案原型的实验结果；最后一部分总结了该研究的结论。

1. 双级解决方案

从 PSR 技术取决于控制目标的角度来看，总共有两种控制方法： 恒定电压调节和恒定电流调节。

因为LED电流决定了光强度，因此单级

PFC PSR-CC常被用于照明应用中。

图4：典型的单级PSR-CC解决方案

为了消除线路频率纹波电流，满足严格的标准，我们必须使用多级解决方案。PSR技术不需要次级反馈环路和光耦合器，且其调节功能非常严格，才使双级解决方案得以实现。

基于三级解决方案，我们可以用两种不同的方式来采用PSR技术实现双极解决方案：

1.1 双级PSR-CC

第一种双级PSR解决方案为将反激式转换器级与次级DCDC级结合为同一级以实现隔离和驱动、LED调光功能，另一级为PFC级。如图4所示，LED电流在初级端进行控制，因此该解决方案又名双级PSR-CC。

图4：双级PSR-CC解决方案

双级PSR-CC解决方案市场反应良好，特别是在切向调光领域----调光信号来自于交流线路。但是在模拟或PWM调光中，情况则完全不同。由于调光功能是在初级端完成的，从安全角度考虑，该解决方案需要变压器来隔离调光信号。由于是初级调光，调光控制比较复杂，不易实现。此外，由于PSR-CC而导致的相对较弱的CC调节是高端照明应用中的弱点。调光范围也是该拓扑需要考虑的另一个问题。

1.2 双级PSR-CV

基于单级解决方案和双级PSR-CC解决方案，另一个适合无线路频率电流纹波应用的新型双级结构也随之面世。该结构的重点在于将PFC级与反激式转换级结合为同一级来实现众所周知的PFC和隔离功能[2]。与PSR-CC相比，其主要区别在于该单级仅控制次级输出电压，并不控制输出电流，因此被命名为PSR-CV。右边是用于驱动或对LED进行调光的DCDC级。如图5所示，双级PSR CV具有非常明显的功能级： PFC功能在初级端实现，而LED驱动则在次级端实施，降低了电路的难度，简化了电路设计。

图5：双级PSR-CV解决方案

双级PSR-CV解决方案不仅维持了双级PSR-CC的品质，还具有许多其他优点。首先，LED电流控制非常简单，并且由于次级DCDC级直接控制了LED电流，该解决方案的LED电流也更加精确。其次，对于调光应用来说，任何介于0~10V之间的模拟调光或PWM调光均可在次级DCDC级无需任何隔离地轻松实现。第三，成本低于PSR-CC。与PSR-CC相比，我们可以认为该结构将PFC级移入了次级DCDC级。众所周知，PFC级包含了高压器件， 但在次级DCDC级中包含的却是低压器件。最后，PSR-CV解决方案给用户提供了更高的灵活性。例如，我们可以在PSR-CV级中增加待机电源功能，来在LED未连接时实现低待机功耗。或者，我们可以为多串应用选择适合的DCDC。

该解决方案唯一的缺点是PSR-CV输出电压调节不是非常严格，但是我们可以通过选择宽输入范围的次级DCDC来克服该问题。

2. PSR-CV工作原理

目前，PSR-CV通过在辅助绕组上控制电压来实现。一旦控制了辅助绕组电压，输出电压就可以通过变压器耦合来设置。因此，为了拥有精确的输出电压，如图6所示，我们需要直接控制辅助绕组端的电压。

图6：简化了的精确PSR-CV控制

在整流二极管导通期间，输出电压与二极管前向电压降的和在辅助绕组端反应为 (Vo+VF)   Naux / Ns。由于二极管正向压降随着电流的减小而减小，辅助绕组端电压在二极管导通时间结束时最能反映输出电压，此时二极管电流减小至零。通过在二极管导通时间结束时对绕组电压进行采样，可以获得更精确的输出电压信息。

图7：PSR-CV控制中的主要波形

由于辅助绕组端的电压降在单次切换期间上下波动，我们需要先找出采样点，然后使用采样/保持电路，，之后再将感应电压与内部精密参考电压进行比较。总之，控制逻辑比较复杂。

另一种比较容易实现的方式是如图8所示，我们可以通过PFC控制器的误差放大器来控制整流辅助绕组电压。该方式的缺点是输出电压相对不那么精确。

图8：简单的PSR-CV控制

然而，这是在简单控制与精密输出电压之间的一种折中。在双级PSR-CV解决方案中，第一级的输出电压精密度并不是很重要，我们可以通过选择宽输入范围的次级DCDC来克服该缺点。

3. 测试结果和波形测量

我们在具有OVP功能的单PFC控制器FL6961的基础上制作了一块评估板，该功能可进行更改，用于实施PSR-CV和具有极宽输入范围的高压降压控制器FL7701[3]。

图9：PSR-CV加DCDC的完整解决方案

有了PSR-CV解决方案，我们可以轻松的生成一个次级CV电源，通过为次级端的辅助绕组加载来给MCU等其他附件进行供电。

通过PSR-CV Vcc调节，我们可以看到，在整个输出负载范围内CV的精确度可以实现±4.25% CV容差。如果消除光负载电压的漂移（由突发模式导致），CV精度将增加至±1.1%。

图10：CV性能

通过使用FL7701，可以轻松地建立带内部模拟调光功能的降压DCDC。因此完整的解决方案具有极低的纹波电流。

结论

本文介绍并开发了一种 新型双级PSR-CV解决方案，在保证电路简单、易于设计等品质的同时，无线路频率电流纹波且具有高功率因数。实验结果表明，本文所建议的双级PSR-CV解决方案是高端LED模拟调光和PWM调光应用的理想选择。未来，我们将会增加新的功能，如在初级端增加待机电源来实现低待机功耗，以符合LED驱动器的发展趋势。