使用一次側回授的 4.2 W GU10 LED 照明驅動器

摘要

本文將向您介紹一款使用了 TI 離線一次側傳感控制器 TPS92310 的低功耗 LED 照明驅動器解決方案。由于使用了恒定的導通時間反激拓撲以及一次側傳感控制，該解決方案可以實現高效率以及良好的線壓和負載調節功能。就 GU10 替代 LED 燈泡而言，參考設計 PMP4325 具有合適的小外形尺寸(30mm×18mm×10mm)，其可支持常見的 AC 線路輸入以及 3 或 4 個 LED 串聯輸出，恒定輸出電流為 350mA。實驗顯示，就LED 照明而言，該解決方案具有良好的線壓和負載調節功能、高效率以及整體LED照明保護功能。

1　理論操作

1.1 TPS92310 控制器

對于額定功率較低的 LED 照明來說，單級反激結構是一款頗具吸引力的拓撲結構。單級反激結構之所以能夠廣泛用于 LED 照明，其原因如下：

l 電隔離減少了總體物料清單成本 (BOM)

l 使用特殊控制架構(例如：恒定導通時間控制等)的高功率因數

l 相比其他雙級拓撲結構，外形尺寸更小

盡管單級反激結構用于 LED 照明時擁有諸多優點，但仍然有一些問題需要解決。這些問題包括：

l 高功率因數

l 穩定的線壓和負載調節，實現一次側回授 (PSR)

l LED 開路或者短路保護

TI TPS92310 控制器是一種單級一次側傳感 AC/DC 控制器，用于驅動高亮度 LED 的恒定電流。它工作在零電流檢測轉換模式 (TM) 下。線壓半周期內，“導通時間”(TON) 幾乎恒定不變。因此，它本身便具有功率因數校正 (PFC)，因為主繞組的峰值電流，隨輸入線壓曲線變化而變化。對 TON 進行調節，以便將 LED 電流調節至預設水平，而該水平由一個外部檢測電阻器設置。TON 同時也用于反激、升壓以及降升壓轉換器的控制設計。這種轉換器工作在轉換模式下，使用固定不變的導通時間控制來達到高功率因數。另外，TON 還可用于對工作在轉換模式的降壓轉換器進行控制，其通用 LED 驅動器使用峰值電流控制。

一次側檢測不要求使用光耦合器和二次側電路，因此組件數目更少，PCB 解決方案也更緊湊。另外，這種控制器還擁有逐周期電流限制、輸出短路保護、輸出過壓保護 (OVP) 或者開路 LED 保護、短路 LED 保護以及熱關機保護等功能，而所有這些功能都為 LED 照明提供了保護措施。

1.2 恒定導通時間控制

在傳統升壓功率因數校正轉換器中，恒定導通時間控制的轉換模式通常用于讓輸入電流與輸入電壓保持同相，以獲得高功率因數和低總諧波失真 (THD)。

對于工作在轉換模式下的單級反激拓撲結構來說，它并非本身固有的功率因數校正，因為占空比和頻率在形狀循環期間始終會不斷變化。因此，在這種條件下，功率因數和總諧波失真都不理想。幸運的是，過濾模式下工作的單級反激拓撲使用固定(恒定)TON，仍然可以達到高功率因數和低總諧波失真。如圖 1 所示，平均輸入電流為一個近似正弦波，且其相位與輸入電壓相同。

圖 1 TON 和 TOFF 期間電流波形

本設計中，TPS92310 控制器被配置在恒定導通時間控制模式下，如果用一個大容量電容器連接至 COMP 引腳，以對單級反激應用的 100-Hz 線壓紋波進行濾波，則開關的開啟時間可以固定不變。但是，為了降低電路板的體積，該參考設計并非為一種沒有功率因數校正功能的單級結構，因此我們使用了一個小容量補償電容器，目的只是保持控制環路的穩定性。由于反激結構的 DC 輸入電壓較穩定，因此該開啟時間幾乎固定不變。

1.3 一次側檢測的恒定電流控制

據此，圖 2 顯示了一次電流、二次電流和 Vds 電壓，平均輸出電流 Io 的計算方法如下：

其中：

2 × Tdly =MOSFET 漏極上振鈴時間的一半

N=一次繞組與二次級繞組的變壓器匝數比

Ip_pk=一次電流

Is_pk=二級電流

Io=平均輸出電流(LED 電流)

圖 2 電流及 Vds 電壓波形

為了調節輸出電流，該轉換器使用了一個 PWM 控制電路，如圖 3 所示。這種電路包括了充電和放電工作模式。充電工作模式由內部基準電流IREF × time (TON + TOFF + 2TDLY)控制。放電工作模式由 TOFF 開關和 Ipk 電流源控制，其與一次側峰值電流成比例關系。COMP 電壓電平可代表柵極驅動 TON。

在正常運行期間，如果放電 Q(Ipk × TOFF) 大于充電 Q (IREF × (TON + TOFF +2TDLY))，則 COMP 引腳電壓下降，結果柵極輸出 TON 在下一個周期時增加。另外，如果充電 Q(IREF × (TON + TOFF + 2TDLY)) 大于放電 Q (Ipk ×TOFF)，則 VCOMP 上升，柵極驅動器輸出TON在下一個周期增加。如果充電 Q 等于放電 Q，則VCOMP電壓穩定。因此，當大容量電容器連接至COMP引腳對 100-HZ 線壓紋波進行濾波時，在半個正弦周期產生一個固定導通時間，從而實現功率因數校正。在沒有使用功率因數校正維持環路穩定情況下，并且僅用于反激拓撲結構時，可以使用一個小容量電容器連接 COMP 引腳。

圖 3 充電和放電方塊圖

該控制器實現了一次電流反饋與調節，以維持恒定輸出 LED 電流。圖 4 顯示了 TPS92310 控制器的方塊圖。紅色虛線表示一個主控制回路。

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