高性能LED恒流驱动方案

高PF、高性能LED恒流驱动方案FAE盛欢2012-10高PF、高性能LED恒流驱动方案FAE盛欢内容提要原边反馈（PSR）单级PFC恒流方案的特点、原理PT4209的性能特点及各主要功能的实现原理性能特点精确的恒流控制原理调光功能原理保护功能原理DEMOBOARD性能及相关设计要点2内容提要原边反馈（PSR）单级PFC恒流方案的特点、原理23PF（功率因数）与THD（总谐波失真）PF与THD的关系：THD（TotalHarmonicDistortion）：表征波形的失真程度系统功率因数：衡量电力被有效利用的程度IEC61000-3-2Class-C电流谐波限制标准电网用电设备自身消耗功率从电网吸收的功率返还给电网的功率PFC（PowerFactorCorrection，功率因数校正

）技术：被动PFC技术小功率一般采用填谷线路，增大整流管导通角，减小THD。大功率一般采用工频电感，利用电感电流不能突变原理，减小THD主动PFC技术强制让输入电流跟随输入电压，并在工作时使输入电流近似为正弦波，减小THD。3PF（功率因数）与THD（总谐波失真）PF与THD的关系：4PSR单级PFC恒流方案的特点PSR单级PFC恒流方案的工作电压和电流波形无PFC方案的工作电压和电流波形传统整流滤波电路导致输入电流产生严重畸变传统方案存在输入电解输入电压和电流基本同步，实现低谐波和高PF低THD(电流谐波)，高PF(功率因数)采用主动PFC技术，工作时输入电压和电流基本同步，同时输入电流近似为正弦波体积小输入端无电解电容采用PSR，无需光耦及431PSR单级PFC的特点4PSR单级PFC恒流方案的特点PSR单级PFC恒流方案的无5PSR单级PFC恒流的原理

为了更简单更直接地得到恒流输出，一般使芯片工作在临界/断续模式，其副边的电流方程为：芯片内部逻辑框图经内部乘法器计算得到Vcs*Tdis/Tsw由DET采样得到Tdis/Tsw由CS采样得到Vcs只要设计芯片得到恒定的Vcs*Tdis/Tsw，那么就可以通过外部设计合适的匝比和采样电阻得到恒定的输出电流值。5PSR单级PFC恒流的原理为了更简单更直接6高PF值，全电压输入下PF值>0.95原边反馈（无需光耦及431）支持PWM调光/Analog（模拟）调光输出电流精度高，单片达±1.5%，批量可控制在±3%之内准谐振工作模式低启动电流(10uA)低静态电流(1mA)保护功能齐全1、VCC欠压锁定功能

2、输出开路/短路保护3、逐周期过流保护4、采样电阻开路保护5、过温保护

符合RoHS标准PT4209特点PT4209内部框图PT4209PSR准谐振单级PFCLED恒流驱动器PT4209典型应用电路6高PF值，全电压输入下PF值>0.95PT4209特点PT7精确的恒流控制原理输出电流计算公式：PT4209进行两次过零采样，得到精确的LC谐振周期，并将其补偿到下一个周期。基本消除批量时LC谐振对恒流精度的影响影响输出电流的参数：N、Rcs由芯片外部决定Vcs、Tsw由芯片直接采样获得Tdis需要两次过零采样再经计算才能得到精确值很多芯片简单的采取判断DET过零近似认为是Tdis的结束，该检测方式使批量时的恒流精度偏差较大估算1/4LC谐振周期对恒流精度的影响：一般初级电感量Lp精度±10%；一般MOSFET输出寄生电容Coss精度±10%（查MOSFET规格书）；得到1/4LC谐振周期最大误差±10%。若LC谐振周期为3us，1/4LC谐振周期误差最大为0.15us，若系统频率为50KHz，则恒流精度偏差达0.75%；若系统频率为100KHz，则恒流精度偏差达1.5%7精确的恒流控制原理输出电流计算公式：PT4209进行两次过8PT4209调光原理芯片内部调光示意图1、输入PWM信号PWM高电平要高于2.4V，建议高于2.8VPWM低电平要低于0.6V，建议低于0.4V满足上述输入条件时，输入PWM信号将覆盖内置三角波信号，否则会导致实际输出与输入的PWM信号不一致2、输入Analog（模拟）信号芯片将直流电平转换为27KHz的PWM信号输入为0.6V-2.4V的直流电平，超出该范围则无调光效果8PT4209调光原理芯片内部调光示意图1、输入PWM信号9PT4209的保护——输出OVPDET做输出OVP时各电压波形1、DETOVP动作机理输出电压升高辅助绕组的电压及DET电压也随着升高DET升高至4V，芯片关断DRV输出辅助绕组无法提供VCC电压，导致VCC电压下降VCC电压下降至UVLO点后，芯片关断所有的内部电路由于启动电阻上的供电电流大于芯片的开启电流，VCC电压开始回升，进入重启状态若输出电压还是过高，DET再次检测到OVP，芯片进入打嗝模式9PT4209的保护——输出OVPDET做输出OVP时各电10PT4209的保护——输出SCP输出短路时各电压波形1、SCP动作机理输出短路辅助绕组的电压下降至约0V

由于辅助绕组无法提供VCC电压，导致VCC电压下降同时由于DET检测不到零点而导致芯片将工作频率降至20KHz，同时将CS的电压限定在0.8V以限制输出功率VCC电压下降至UVLO点后，芯片关断所有的内部电路由于启动电阻上的供电电流大于芯片的开启电流，VCC电压开始回升VCC达到开启电压后恢复DRV输出由于短路未移除，芯片进入打嗝模式10PT4209的保护——输出SCP输出短路时各电压波形111PT4209Demo-board输入：85-265Vac输出：16*1WLED(51.2V/300mA)高达0.95PF值，THD<12%，满足IEC61000-3-2（ClassC）谐波电流的要求高恒流精度，单片电流调整率小于±1.5%。高达90%的转换效率调光线性度好11PT4209Demo-board输入：85-265Va12功率因数测试曲线PF

>0.95@264VacMax.PF＝0.995！！PT4209的特性：PF值与Vin/(Nps*Vout)相关设计要点：增大初次级间匝数比可提高PFMOSFET选型时可选用650V耐压值来取代600V12功率因数测试曲线PF>0.95@264VacPT420恒流特性曲线13整体调整率<±1.5%！设计要点：保证Vcs采样准确Rcs的地要和芯片地接在同一点主回路要小驱动回路要尽可能短恒流特性曲线13整体调整率<±1.5%！设计要点：保证Vc14PWM调光5%10%20%50%80%90%95%输出电流(mA)17336415424327228620kHz调光信号Duty:50%Duty:10%PWM调光波形及测试曲线14PWM调光5%10%20%50%80%90%95%输出电效率测试曲线15效率>90%！@115V/230V效率测试曲线15效率>90%！@115V/230V损耗分析-MOS16开关损耗开通损耗Psw_on关断损耗Psw_off寄生电容损耗Psw_coss导通损耗导通损耗Pon准谐振工作模式准谐振模式，零电流开通（ZCS），降低开通损耗增加反射电压Vf，可降低寄生电容引起的损耗缩短关断时间，降低关断损耗损耗分析-MOS16开关损耗准谐振工作模式准谐振模式，零电流损耗分析-变压器17磁芯损耗磁滞损耗涡流损耗剩余损耗铜线损耗直流损耗交流损耗考虑铜线交流趋肤深度损耗分析-变压器17磁芯损耗损耗分析-输出二极管18二极管损耗开通损耗关断损耗通态损耗

截止损耗开通关断低压应用时尽量选择肖特基二极管高压应用时尽量选择快恢复或超快恢复二极管损耗分析-输出二极管18二极管损耗开通关断低压应用时尽量选择损耗分析-损耗分布19电流比230V输入时大Fsw虽小，但ΔB大致铁损大；同时电流大致铜损大关断损耗占主导，同时115V输入时Fsw较小，损耗也较小比230V输入时稍大，但不明显EMI滤波器损耗较大，同时VCC启动电阻等损耗较小损耗分析-损耗分布19电流比230V输入时大Fsw虽小，但Δ20Q&A20Q&A高PF、高性能LED恒流驱动方案FAE盛欢2012-10高PF、高性能LED恒流驱动方案FAE盛欢内容提要原边反馈（PSR）单级PFC恒流方案的特点、原理PT4209的性能特点及各主要功能的实现原理性能特点精确的恒流控制原理调光功能原理保护功能原理DEMOBOARD性能及相关设计要点22内容提要原边反馈（PSR）单级PFC恒流方案的特点、原理223PF（功率因数）与THD（总谐波失真）PF与THD的关系：THD（TotalHarmonicDistortion）：表征波形的失真程度系统功率因数：衡量电力被有效利用的程度IEC61000-3-2Class-C电流谐波限制标准电网用电设备自身消耗功率从电网吸收的功率返还给电网的功率PFC（PowerFactorCorrection，功率因数校正

）技术：被动PFC技术小功率一般采用填谷线路，增大整流管导通角，减小THD。大功率一般采用工频电感，利用电感电流不能突变原理，减小THD主动PFC技术强制让输入电流跟随输入电压，并在工作时使输入电流近似为正弦波，减小THD。3PF（功率因数）与THD（总谐波失真）PF与THD的关系：24PSR单级PFC恒流方案的特点PSR单级PFC恒流方案的工作电压和电流波形无PFC方案的工作电压和电流波形传统整流滤波电路导致输入电流产生严重畸变传统方案存在输入电解输入电压和电流基本同步，实现低谐波和高PF低THD(电流谐波)，高PF(功率因数)采用主动PFC技术，工作时输入电压和电流基本同步，同时输入电流近似为正弦波体积小输入端无电解电容采用PSR，无需光耦及431PSR单级PFC的特点4PSR单级PFC恒流方案的特点PSR单级PFC恒流方案的无25PSR单级PFC恒流的原理

为了更简单更直接地得到恒流输出，一般使芯片工作在临界/断续模式，其副边的电流方程为：芯片内部逻辑框图经内部乘法器计算得到Vcs*Tdis/Tsw由DET采样得到Tdis/Tsw由CS采样得到Vcs只要设计芯片得到恒定的Vcs*Tdis/Tsw，那么就可以通过外部设计合适的匝比和采样电阻得到恒定的输出电流值。5PSR单级PFC恒流的原理为了更简单更直接26高PF值，全电压输入下PF值>0.95原边反馈（无需光耦及431）支持PWM调光/Analog（模拟）调光输出电流精度高，单片达±1.5%，批量可控制在±3%之内准谐振工作模式低启动电流(10uA)低静态电流(1mA)保护功能齐全1、VCC欠压锁定功能

2、输出开路/短路保护3、逐周期过流保护4、采样电阻开路保护5、过温保护

符合RoHS标准PT4209特点PT4209内部框图PT4209PSR准谐振单级PFCLED恒流驱动器PT4209典型应用电路6高PF值，全电压输入下PF值>0.95PT4209特点PT27精确的恒流控制原理输出电流计算公式：PT4209进行两次过零采样，得到精确的LC谐振周期，并将其补偿到下一个周期。基本消除批量时LC谐振对恒流精度的影响影响输出电流的参数：N、Rcs由芯片外部决定Vcs、Tsw由芯片直接采样获得Tdis需要两次过零采样再经计算才能得到精确值很多芯片简单的采取判断DET过零近似认为是Tdis的结束，该检测方式使批量时的恒流精度偏差较大估算1/4LC谐振周期对恒流精度的影响：一般初级电感量Lp精度±10%；一般MOSFET输出寄生电容Coss精度±10%（查MOSFET规格书）；得到1/4LC谐振周期最大误差±10%。若LC谐振周期为3us，1/4LC谐振周期误差最大为0.15us，若系统频率为50KHz，则恒流精度偏差达0.75%；若系统频率为100KHz，则恒流精度偏差达1.5%7精确的恒流控制原理输出电流计算公式：PT4209进行两次过28PT4209调光原理芯片内部调光示意图1、输入PWM信号PWM高电平要高于2.4V，建议高于2.8VPWM低电平要低于0.6V，建议低于0.4V满足上述输入条件时，输入PWM信号将覆盖内置三角波信号，否则会导致实际输出与输入的PWM信号不一致2、输入Analog（模拟）信号芯片将直流电平转换为27KHz的PWM信号输入为0.6V-2.4V的直流电平，超出该范围则无调光效果8PT4209调光原理芯片内部调光示意图1、输入PWM信号29PT4209的保护——输出OVPDET做输出OVP时各电压波形1、DETOVP动作机理输出电压升高辅助绕组的电压及DET电压也随着升高DET升高至4V，芯片关断DRV输出辅助绕组无法提供VCC电压，导致VCC电压下降VCC电压下降至UVLO点后，芯片关断所有的内部电路由于启动电阻上的供电电流大于芯片的开启电流，VCC电压开始回升，进入重启状态若输出电压还是过高，DET再次检测到OVP，芯片进入打嗝模式9PT4209的保护——输出OVPDET做输出OVP时各电30PT4209的保护——输出SCP输出短路时各电压波形1、SCP动作机理输出短路辅助绕组的电压下降至约0V

由于辅助绕组无法提供VCC电压，导致VCC电压下降同时由于DET检测不到零点而导致芯片将工作频率降至20KHz，同时将CS的电压限定在0.8V以限制输出功率VCC电压下降至UVLO点后，芯片关断所有的内部电路由于启动电阻上的供电电流大于芯片的开启电流，VCC电压开始回升VCC达到开启电压后恢复DRV输出由于短路未移除，芯片进入打嗝模式10PT4209的保护——输出SCP输出短路时各电压波形131PT4209Demo-board输入：85-265Vac输出：16*1WLED(51.2V/300mA)高达0.95PF值，THD<12%，满足IEC61000-3-2（ClassC）谐波电流的要求高恒流精度，单片电流调整率小于±1.5%。高达90%的转换效率调光线性度好11PT4209Demo-board输入：85-265Va32功率因数测试曲线PF

>0.95@264VacMax.PF＝0.995！！PT4209的特性：PF值与Vin/(Nps*Vout)相关设计要点：增大初次级间匝数比可提高PFMOSFET选型时可选用650V耐压值来取代600V12功率因数测试曲线PF>0.95@264VacPT420恒流特性曲线33整体调整率<±1.5%！设计要点：保证Vcs采样准确Rcs的地要和芯片地接在同一点主回路要小驱动回路要尽可能短恒流特性曲线1