LM3444/LM3445 非隔離式LED照明應(yīng)用改進(jìn)型線性穩(wěn)壓解決方案
摘要
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258488.htm本文基于LM3445的傳統(tǒng)非隔離式解決方案,詳細(xì)說明其工作原理。我們將對這種線性穩(wěn)壓公式進(jìn)行推導(dǎo)和分析。通過實際實驗結(jié)果對計算結(jié)果進(jìn)行驗證,并證明其能夠非常緊密地匹配。為了評估大批量生產(chǎn)的可行性,我們對輸出電流容限進(jìn)行了徹底的研究和分析。結(jié)果證明,傳統(tǒng)解決方案難以達(dá)到全部批量生產(chǎn)電流容限,特別是在當(dāng)前市場所要求的更高輸出應(yīng)用的發(fā)展趨勢下更是如此。
為了解決這個問題,我們建議使用一個簡易線性穩(wěn)壓補(bǔ)償電路。我們從理論計算和實驗測量結(jié)果兩個方面,對這種建議解決方案進(jìn)行了驗證。根據(jù)推導(dǎo)的輸出電流和線性穩(wěn)壓速率公式,對實際批量生產(chǎn)所要求的最終總電流容限進(jìn)行分析。根據(jù)所得結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn),在達(dá)到這種實際要求方面,實現(xiàn)了巨大的進(jìn)步。最后,基于樣機(jī)對測試結(jié)果和計算結(jié)果進(jìn)行比較;經(jīng)證明,它們非常匹配。
1、 引言
隨著LED室內(nèi)照明的日益增長,非隔離式方案和隔離式方案都變得越來越流行。特別是,高線性穩(wěn)壓的高PF和精確恒定電流模式方案成為市場的主導(dǎo)方案。但是,由于輸出電壓變得更高更寬,傳統(tǒng)LM3444/L3445非隔離式應(yīng)用無法達(dá)到這種寬余量要求,從而進(jìn)一步限制了LM3445/LM3445的應(yīng)用。
鑒于上述問題,本文的主要目標(biāo)在于精確線性穩(wěn)壓要求的高輸出應(yīng)用。在本文中,通過第2章的一些公式,闡述一般工作原理。利用這些公式,我們可以求解最終輸出電流。為了對結(jié)果進(jìn)行評估,第3章介紹了一個統(tǒng)一公式,通過它輸出電流得到簡化。另外,第3章還進(jìn)一步詳細(xì)說明了電流容限分析。第4章給出了一些基于樣機(jī)的設(shè)計例子。文章給出了計算結(jié)果和仿真結(jié)果,并把它們與實驗結(jié)果進(jìn)行比較。經(jīng)證明,它們的匹配非常好。但是,深入研究后,我們發(fā)現(xiàn)仍然很難達(dá)到批量生產(chǎn)的電流容限要求。
為了解決這個問題,我們在第5章提出了一個建議補(bǔ)償電路。通過計算和仿真實驗,對這個補(bǔ)償電路進(jìn)行了驗證。最終,實驗證明,該電路明顯改善了線性穩(wěn)壓和電流容限性能。利用這種電路,得到改進(jìn)的線性穩(wěn)壓將在實際應(yīng)用具備更強(qiáng)的競爭力,特別是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明應(yīng)用中。
2、 傳統(tǒng)非隔離式LM3444/LM3445解決方案的原理
圖1顯示了更高PF的傳統(tǒng)非隔離式解決方案。為了方便講解其工作原理,我們給參數(shù)做如下定義:
•Vout:LED輸出電壓
•I:單時間段內(nèi)等效時間值
•Kfeed:輸入AC電壓的前饋系數(shù)
•Rs:電流檢測電阻器
•Rup:toff充電電阻器
•Cchar:toff充電電容器
•Vinmin:AC輸入電壓最小值
•Vinmax:AC輸入電壓最大值
•Vinac:AC輸入電壓
•_noimp:無改進(jìn)線性穩(wěn)壓電路函數(shù)
•_imp:改進(jìn)線性穩(wěn)壓電路函數(shù)
圖1 高PF的傳統(tǒng)建議非隔離式解決方案
這是一種典型的無反饋環(huán)路應(yīng)用,但是它具有下列特性:
1、 更高的PF。通過輸入前饋電路實現(xiàn)。
2、 恒定電流。這是通過LED輸出電壓檢測toff電路實現(xiàn)。
AC輸入電壓可表示如下:
如圖1所示,C1大于C2,目的是實現(xiàn)更高的PF值,例如:C1/C2 = 220n/10n。LM3444或者LM3445的針腳5的電壓可以表示為:
toff的充電電流為:
進(jìn)行實際計算時,Veb_Q1可選擇0.6作為參考設(shè)計。
因此,toff可寫為:
頻率可以表示為:
電感器的紋波電流為:
因此,最大電流和平均電感電流公式可寫為:
那么,LED輸出電流為:
3、 基于傳統(tǒng)解決方案的LED電流線性穩(wěn)壓分析
由于LED電流已在上面做了推導(dǎo),因此我們可以把總公式寫為:
為了推導(dǎo)每個輸入電壓的LED電流變化,可對公式(10)進(jìn)行簡化,因為Vout一般小于Vinac,并且Vout大于Vbe_Q2。公式可簡化為:
那么,整個輸入范圍內(nèi)的LED電流變化可利用公式(11)推導(dǎo)出。
我們可以看到,LED電流變化嚴(yán)重依賴于Vout,其意味著當(dāng)LED電壓較低時它可以使用更高的線性穩(wěn)壓,在這種情況下,其非常適合于GU10應(yīng)用。
3.1 批量生產(chǎn)期間Δ LED電流變化分析
公式(11)推導(dǎo)出LED電流變化,但是這種變化在整個輸入范圍受Rs、L、Cchar和Rup容限的影響。根據(jù)批量生產(chǎn)要求,我們對其進(jìn)行如下分析:
1、 批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Rs(例如:2%容限)影響如下:
2、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Rup(例如:2%容限)影響如下:
3、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Cchar(例如:10%容限)影響如下:
4、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受L(例如:16%容限)影響如下:
5、批量生產(chǎn)時某個Vled下的Δ LED電流變化極端情況如下:
正常情況下,相比LED電流變化,這種總變化非常小。
3.2 批量生產(chǎn)期間的LED電流容限分析
在批量生產(chǎn)中,LED電流受到規(guī)定。正常情況下,要求它在±5%范圍內(nèi),其在整個輸入范圍與Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限無關(guān)。
由公式(9),我們知道,LED電流變化受到這些參數(shù)的影響。下面是詳細(xì)分析。
1、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Rs(例如:2%容限)影響情況如下:
2、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Rup(例如:2%容限)影響情況如下:
3、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Cchar(例如:10%容限)影響情況如下:
4、批量生產(chǎn)時總LED電流變化受L(例如:16%容限)影響情況如下:
5、批量生產(chǎn)時總LED電流變化受kfeed(例如:2%容限)影響情況如下:
6、批量生產(chǎn)時某個Vled下的極端LED電流變化如下:
那么,按照批量生產(chǎn)要求總LED電流容限可表示為:
4 基于傳統(tǒng)解決方案的線性穩(wěn)壓與批量生產(chǎn)電流容限設(shè)計舉例證明
為了驗證上面推導(dǎo)計算結(jié)果的有效性,我們按照表1所列參數(shù)制作一個樣機(jī)。
表1 樣機(jī)參數(shù)
利用第2章的公式(5),得到圖2所示頻率曲線圖:
圖2 小于90Vac和140Vac的無改進(jìn)解決方案頻率
利用第2章的公式(7)和(8),得到電感器的最大電流和平均電流(參見圖3):
圖3 小于90Vac和140Vac的無改進(jìn)解決方案輸出電流
圖4和圖5顯示了小于90Vac和140Vac的仿真和實驗結(jié)果。
圖4 90Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結(jié)果
圖5 90Vac以下電感電流和輸出電流的測試結(jié)果
測量和仿真得電流波形(參見圖4和圖5)幾乎完全一樣;輸出紋波表明存在一些小的差異,原因是LED仿真模型和實際測試LED負(fù)載之間有差異。
圖6 140Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結(jié)果
圖7 140Vac以下電感電流和輸出電流的測試結(jié)果
從圖6和圖7所示結(jié)果來看,計算結(jié)果好像密切匹配仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果。這個結(jié)果為后面的容限分析提供了有力的理論支撐。
利用第2章的公式9,計算出標(biāo)準(zhǔn)輸出電流;得到批量生產(chǎn)期間考慮到參數(shù)容限情況下的最大和最小輸出電流:
圖8 90Vac和140 Vac以下無改進(jìn)解決方案的輸出電流
利用3.2小節(jié)的公式(23),得到批量生產(chǎn)期間考慮到參數(shù)容限情況下的極端LED電流變化。
圖9 90Vac到140Vac以下無改進(jìn)解決方案組件容限對LED輸出電流變化的影響情況
利用3.2小節(jié)的公式(24),得到批量生產(chǎn)期間的總LED電流容限(參見圖10):
圖10 批量生產(chǎn)時90Vac到140Vac以下無改進(jìn)解決方案的總LED電流容限
從公式(24),我們可以看到,90Vac到140Vac以上的正常LED電流變化為17mA,線性穩(wěn)壓為± 3.3%,這對單個組件而言是可以接受的。但是,實際工程的主要問題是總調(diào)節(jié)可行性,也即考慮組件容限情況下的總LED電流容限。由圖8,我們知道,受組件容限影響的輸出電流變化約為32mA。因此,批量生產(chǎn)時的總LED電流容限為± 8%以上,如圖10所示。在實際生產(chǎn)過程中,這同樣很難實現(xiàn)。從上述分析我們可以知道,線性穩(wěn)壓是改善輸入范圍總?cè)菹薜年P(guān)鍵。
5 改進(jìn)型非隔離式LM3444/LM3445解決方案工作原理
為了改善線性穩(wěn)壓,我們建議使用圖11所示線壓補(bǔ)償。
圖11 改進(jìn)型線壓補(bǔ)償電路
為了降低圖11所示電路的閂鎖電流容限,可使用更高精度的電阻器R21、R23和R1_comp。為了減少D11、Q3和Q4的正向電壓影響,我們建議C7電壓稍高一些(例如:20Vdc)。為了知道不同溫度下的電流容限,規(guī)定V_C7為20V,Q4的V_c為20V,而R_comp為300K,然后進(jìn)行SPICE溫度掃描仿真。結(jié)果如圖12所示。
圖12 0°C、25 °C、50 °C和85 °C以下溫度掃描仿真結(jié)果
由該結(jié)果,我們知道溫度容限為±3%,因此可以進(jìn)入實際設(shè)計。
在安裝補(bǔ)償電路(參見圖11)以后,經(jīng)過改善的toff的充電電流為:
為了減少Q(mào)3和Q4的Vbe的影響(如圖11所示),我們建議,公式(27)的系數(shù)k盡可能地大,這樣我們便可在設(shè)計中忽略Vbe。
最大電流和平均電感電流公式與第2章中的公式(7)和公式(8)一樣。最終LED電流公式如下:
如果不考慮其他組件容限,則輸出LED電流的標(biāo)準(zhǔn)化公式可以寫為:
在實際計算過程中,我們可以做如下規(guī)定:0.95Char、0.99Rs、0.99Rup、1.08L和0.99 kfeed,以便得到最大LED輸出電流。該計算公式如下:
利用相同的分析,我們可以做如下規(guī)定:1.05 Char、1.01Rs、1.01 Rup、0.92 L和1.01 kfeed,以便得到最小LED輸出電流。該計算公式如下:
那么,我們可以得到下列頻率范圍和電感電流波形相關(guān)計算方法。
圖13 90Vac和140Vac以下頻率
圖14 90Vac和140Vac以下電感電流
圖15和圖16顯示了90Vac和140Vac以下實驗結(jié)果
圖15 90Vac以下電感電流和輸出電流測試結(jié)果
圖16 140Vac以下電感電流和輸出電流測試結(jié)果
圖17顯示了線性穩(wěn)壓計算結(jié)果:
圖17 線性穩(wěn)壓計算改善至±1%以下
輸出電流為一條輸入電壓的非線性曲線,而非線性曲線。補(bǔ)償參數(shù)極大影響這條曲線。在實際設(shè)計中,工程師可以通過調(diào)整線壓補(bǔ)償參數(shù)來對這條曲線進(jìn)行優(yōu)化。
為了驗證該結(jié)果,使用圖18所示測量結(jié)果與計算結(jié)果比較。
圖18 極端電流容限計算改善至±6.6%
由圖18,我們可以知道,由于使用了改進(jìn)線性穩(wěn)壓電路,極端電流容限也得到了改善。為了達(dá)到這種非常嚴(yán)苛的極端電流容限,我們的解決方案必須進(jìn)一步改進(jìn),以適應(yīng)一些特殊用戶的要求。
如果考慮90Vac以下的電流容限,則可得到:
如果90Vac以上的容限基本相同則可以達(dá)到這個目標(biāo);因此,圖19給出了一種備選建議方法。
圖19 120Vac到140Vac以下線性穩(wěn)壓改善電路
LM3445/LM3444的針腳5電壓計算方法如圖20和圖21所示:
圖20 添加圖20電路時的LM3445/LM3444針腳5電壓
圖21 使用圖19電路后線性穩(wěn)壓得到較大改善
通過前面的分析,我們可以得出結(jié)論:這種電路可幫助改善線性穩(wěn)壓。但是,如果使用線壓補(bǔ)償電路的電流容限可達(dá)到批量生產(chǎn)要求,則不能使用這種附加二極管電路。但是,如果PCB布局有多余空間,則TI仍然推薦在實際設(shè)計中使用這種附加二極管電路。
最后,圖22顯示了備選方法的完整改善解決方案。
圖22 大幅改善線性穩(wěn)壓的備選方法完整解決方案
結(jié)論
本文基于傳統(tǒng)非隔離式LM3444/LM3445,徹底分析了輸出電流線性穩(wěn)壓和電流容限。結(jié)果是線性穩(wěn)壓并不理想。為了解決這個問題,我們提出了一種改進(jìn)解決方案。另外,我們還闡述了線性穩(wěn)壓和總電流容限。我們通過理論分析和實際實驗,證明了這種解決方案的可行性。
參考文獻(xiàn)
(1)《LM3445三端雙向可控硅開關(guān)組件亮度可調(diào)離線式LED驅(qū)動器》,文章編號:SNVS570K。
(2)《230VAC、6W-15W隔離式反激LED驅(qū)動器》,見于《應(yīng)用手冊2069 LM3445》
(3)《120VAC、8W隔離式反激LED驅(qū)動器(修訂版B)》,見于《應(yīng)用手冊2034 LM3445》
(4)《120VAC、8W隔離式反激LED驅(qū)動器(修訂版B)》,負(fù)于《應(yīng)用手冊2082 LM3444》
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