基于AC/DC數字電源控制器IW1810的LED驅動電路設計*

徐　晶,付賢松,牛萍娟

(1.天津工業大學電子與信息工程學院,天津 300387;2.天津工業大學電氣工程與自動化學院,天津 300387;3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室,天津 300387)

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基于AC/DC數字電源控制器IW1810的LED驅動電路設計*

徐晶1,3,付賢松2,3,4*,牛萍娟2,3,4

(1.天津工業大學電子與信息工程學院,天津 300387;2.天津工業大學電氣工程與自動化學院,天津 300387;3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室,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,該芯片采用數控技術,工作在準諧振模式,提供過流和輸出過壓保護,簡化外圍元件確保電路的高效性,無載功率小于100 mW。設計一款基于IW1810高度集成、高效恒流的AC/DC LED驅動電路,電路工作在90 V到264 V的寬電壓范圍內,輸出恒流340 mA,輸出功率為4 W,效率高達80%以上,電路板面積僅為18 mm×38 mm。

關鍵詞:LED驅動;IW1810;準諧振模式;效率

IW1810是一款高性能的AC/DC電源控制設備,內部的功率雙極晶體管BJT,使得外部元器件的數量達到最少,簡化了EMI設計,降低了總體的物料成本。IW1810消除了次級反饋電路的需要,同時實現了極好的線性和負載調節,在保持以上所有工作條件穩定的前提下,也消除了環路補償[1]元件的需求。該芯片的逐脈沖波形分析技術[2]使得環路響應比傳統的方案要快,從而使動態負載響應得到提高,內置的功率限制功能使得在通用離線應用中的變壓器得到優化,而且滿足了寬范圍的輸入電壓的要求。LED驅動電源的小體積、輕量化、便攜性和高效性已經成為了當今的發展趨勢,適應需求設計高集成度、高效率的LED驅動電路具有重要的意義。

1　IW1810的主要功能

IW1810是一款內部集成了功率雙極管的數字控制器,IW1810的原理框圖如圖1所示。它采用一種專有的初級側控制技術,來消除傳統設計中的光電隔離反饋電路和次級調節電路的需求。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導通模式(DCM)使其工作在高功率水平,在小負載條件下切換到變頻工作模式使得頻率最大化。此外,IWatt數字控制技術使得動態響應更快,輸出調節更緊密,并且具有初級側全功能電路的保護。

圖1　IW1810的原理框圖

1.1內置雙極晶體管

IW1810的設計中一個最大的亮點就在于內置800 V的功率雙極晶體管BJT,一方面,內部800 V的功率晶體管能夠勝任寬范圍高浪涌脈沖工業應用領域,MOSFET相比,通過柔性的開關轉換速率減少了電磁干擾的產生。另一方面,內置的雙極晶體管減少了外圍元器件的數量以及面積[3],使得電路更加簡單,體積更加輕便,更適合于小型設備的使用。

1.2初級側反饋的工作原理

圖2為反激式變換器[4]工作原理的簡圖。當功率雙極管Q1工作在ton(t)導通時間內時,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),電能變為磁能存儲于開關變壓器初級繞組LM中,這時,二極管D1反偏,負載電流由次級側電容CO上的電壓提供,當功率雙極晶體管Q1關斷時,二極管D1導通,存儲于開關變壓器初級繞組LM中的電能被釋放到輸出負載。

圖2　反激式變換器工作原理圖

為了確保能很好地調節輸出電壓,需精確地檢測輸出電壓和輸出電流,對工作于電流不連續導通(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導通工作期間,負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),假設功率雙極晶體管Q1導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導通工作結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,如果忽略由于開關變壓器漏感LK在關斷瞬間而引起的交疊時間,次級負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使用專有的自適應多模式PWM/PFM控制,大幅度提高輕負載效率,從而提高了整體平均效率。大負載和恒定電壓的條件下,IW1810通常工作在脈沖寬度調制(PWM)的模式下。在PWM模式下,開關頻率保持在恒定值。隨著輸出負載電流IOUT減少,開啟時間ton也在減小,控制器自動轉換到脈沖頻率調制(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置在一個持續的時間,但是他的關斷時間是通過負載電流進行調試的。隨著負載電流的減少,關斷時間增加,開關頻率減少。

隨著負載電流進一步降低,IW1810轉換到深PFM模式(DPFM),這樣使得開關頻率減少到一個很低的水平。

1.4動態基極電流的控制

IW1810的一個重要特點是,它直接驅動動態基極電流控制內部BJT開關設備,以優化性能。BJT的基極電流[5]范圍從10 mA到31 mA,根據供電負荷的變化來動態控制。輸出功率越高,基極電流越大。

1.5內置環路補償設計

IW1810采用內部的數字誤差放大器沒有外部環路補償的要求。對于一個典型的電源設計,保證提供至少45°的相位裕度和-20 dB的增益裕度的環路穩定性[6]。

2　基于IW1810的LED開關電源設計

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

圖3　基于IW1810的3 W LED驅動電路

2.1設計要求

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

圖4　LED驅動電源實物圖

2.2測試結果

為了檢測本次所設計的LED開關電源是否達到設計要求,對該電路進行如下測試。輸入交流電壓范圍在90 V到264 V之間進行變換,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。測試數據記錄表格如表1所示。電源經檢測在寬范圍輸入電壓下均可以驅動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。本電路進行了優化設計,輸出電流為340 mA,存在很小的紋波電流,測試結果如圖6所示。

表1　不同交流輸入電壓下的測試結果(測試負載為4顆1 W LED)

圖5　驅動4顆LED的開關電源

圖6　開關電源的電流波形測試圖

3　結論

本文基于IW1810芯片的特點及功能設計了一款具有穩定輸出電流的開關電源,充分利用了IW1810內置雙極晶體管的優點,所設計的開關電源的尺寸僅為18 mm×38 mm,十分適合便攜式電子設備的使用。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,經測試,可以穩定的輸出340 mA的電流,輸出電壓為12.3 V,輸出功率為4 W,同時驅動4個1 W的LED燈穩定工作,電源轉換效率可達80%。

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

付賢松(1976-),男,漢族,浙江平陽人,天津工業大學,副教授,博士學位,主要研究方向為數?；旌霞呻娐吩O計,大功率白光LED驅動芯片及驅動電源設計,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

文獻標識碼: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)