具有TRIAC亮度調節功能的7W單級PFC LED照明設計
2014-02-14
作者：Jamie Zhang、Linda Ye和Jimmy Liu
來源：德州儀器 (TI) 電源現場應用/中國電源參考設計
摘要
本報告介紹了具有TRIAC亮度調節功能的7W AC/DC LED照明驅動器的參考設計。該解決方案采用具有一次側恒定功率控制的單級功率因數校正（PFC）反相拓撲。文章為您介紹功率轉換器的完整分析與設計。最后，我們還為您提供了基于7W應用獲得的實驗結果。對該設計進行簡單修改，便可適用于其他應用。
1、 引言
本PMP4304A參考設計是一款使用TI TPS92210 LED照明功率控制器的TRIAC亮度調節單級功率因數校正LED驅動器。本LED應用主要針對PAR燈泡更換，其擁有小體積、低成本、高PF和高TRIAC亮度調節性能。
該解決方案采用帶有一次側恒定功率控制的單級功率因數校正（PFC）反相轉換器。它在沒有光耦合器的情況下，在單級反相拓撲中實現了一次側恒定功率控制。這種驅動器可使用高線壓AC或者低線壓AC工作。輸出可提供350mA的恒定電流，以驅動6支串聯LED。
2、 工作原理
2．1 功率因數校正單級反相轉換器
這種單級功率因數校正轉換器采用隔離式反相AC/DC拓撲，它把AC輸入線壓整流為輸入正弦電流的DC輸出。單級反相拓撲被廣泛用作隔離式LED解決方案，因為它擁有非常低的BOM成本和高效率。
圖1單級反相轉換器
傳統的單級反相解決方案均采用轉換模式來按時調節常量，以實現PFC功能。但是，轉換模式的反相拓撲并非為自然PFC，因為占空比和頻率經常變化。因此，PF和THD在這種條件下的準確性并不高。
但是，一次側恒定功率單級反相是一種自然PFC。
首先，輸入電壓可設置為：
那么，利用方程式2可計算出平均輸入電流。
通過方程式1和2，輸入功率計算如下：
在一次側，恒定功率方案為：
在方程式4中，K為常量，K的值取決于系統總功率。
當Vin的RMS變化時，占空比反向變化。當Vin的RMS受限時，占空比不再變化。因此，當系統穩定時，占空時間和占空度恒定。
與此同時，為了保持恒定功率，系統保持在相同的開關頻率下。
由于Ton、L、f和Vin均為常量，因此輸入電流為方程式2的自然正弦。
另一方面，輸入功率也為方程式3的常量。
總之，我們可以看到，在這種應用中，相比傳統的方案，一次側恒定功率單級方案擁有一定的優勢。首先，一次側恒定功率方案是一種自然的PFC，其PF和THD均優于傳統方案。其次，顧名思義，一次側恒定功率方案僅受一次側控制。因此，可以把光耦合器排除在外，從而達到低成本BOM。
2.2 TPS92210控制器和系統運行
就TPS92210控制器而言，有一個OTM引腳，其可以通過連接它的電阻器來控制Ton時間；詳情如下：
為了實現一次側恒定功率控制，我們使用下列電路，如圖2所示。
圖2一次側恒定功率控制的前饋電路
假設Vin_rms = x，Ton和Vin_rms之間的關系可計算如下：
該公式可簡寫為方程式7：
為了滿足一次側恒定功率控制的要求( Vrms *Ton = K)，選擇B=0。同時，可根據輸入功率選擇A和C。
圖3為7W舉例計算以后的模擬結果。輸入電壓變高時Ton時間變小。與此同時，輸入功率必須保持恒定。
圖3Ton時間vs Vin_rms和輸入功率vs Vin_rms
3 7W離線恒定功率LED照明驅動器設計
3.1 設計規范
表1電氣設計規范
|
規范項目 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
|
輸入AC 電壓 |
180Vac |
220Aac |
265Vac |
|
輸出電流容限 |
347mA |
356mA |
372mA |
|
LED 數量 |
|
6 |
|
|
功率因數 |
0.975 |
0.944 |
0.902 |
|
無TRIAC 調節的效率 |
80.90% |
81.50% |
81.20% |
3.2 原理圖
圖4PMP4304A原理圖
3.3 PCB布局
圖5電路板組裝圖—層1
圖6電路板組裝圖—層2
3.4 效率
圖7效率與輸入電壓的關系
3.5 線壓調節
圖8輸出電流與輸入電壓
3.6 功率因數
圖9功率因數與輸入電壓的關系
3.7 TRIAC亮度調節性能
表2不同亮度調節器導通角的輸出電流
圖10輸出電流與亮度調節器導通角的關系
圖11不同導通角的輸入電流與輸入電壓
4 結論
本文分析了一次側恒定功率控制單級反相LED驅動器，并介紹了使用基于TPS92210的一次側控制的優勢。同時，我們還實施了一款實際的7W設計。它體現了TPS92210解決方案的諸多好處，如小外形尺寸、低成本、高PF和高TRIAC亮度調節性能。
參考文獻
1、《TPS92210產品說明書》，LED照明功率控制器