基于LM3445非隔离式LED应用改进型线性稳压解决方案

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简介:本文基于LM3445非隔离式LED应用改进型线性稳压解决方案,详细说明其工作原理。我们将对这种线性稳压公式进行推导和分析。通过实际实验结果对计算结果进行验证,并证明其能够非常紧密地匹配。

为了评估大批量生产的可行性,我们对输出电流容限进行了彻底的研究和分析。结果证明,传统解决方案难以达到全部批量生产电流容限,特别是在当前市场所要求的更高输出应用的发展趋势下更是如此。

为了解决这个问题,我们建议使用一个简易线性稳压补偿电路。我们从理论计算和实验测量结果两个方面,对这种建议解决方案进行了验证。根据推导的输出电流和线性稳压速率公式,对实际批量生产所要求的最终总电流容限进行分析。根据所得结果,我们发现,在达到这种实际要求方面,实现了巨大的进步。最后,基于样机对测试结果和计算结果进行比较;经验证,它们非常匹配。

1、 引言

随着LED室内照明的日益增长,非隔离式方案和隔离式方案都变得越来越流行。特别是,高线性稳压的高PF和精确恒定电流模式方案成为市场的主导方案。但是,由于输出电压变得更高更宽,传统L3445非隔离式应用无法达到这种宽余量要求,从而进一步限制了LM3445的应用。

鉴于上述问题,本文的主要目标在于精确线性稳压要求的高输出应用。在本文中,通过第2章的一些公式,阐述一般工作原理。利用这些公式,我们可以求解最终输出电流。为了对结果进行评估,第3章介绍了一个统一公式,通过它输出电流得到简化。另外,第3章还进一步详细说明了电流容限分析。第4章给出了一些基于样机的设计例子。文章给出了计算结果和仿真结果,并把它们与实验结果进行比较。经证明,它们的匹配非常好。但是,深入研究后,我们发现仍然很难达到批量生产的电流容限要求。

为了解决这个问题,我们在第5章提出了一个建议补偿电路。通过计算和仿真实验,对这个补偿电路进行了验证。最终,实验证明,该电路明显改善了线性稳压和电流容限性能。利用这种电路,得到改进的线性稳压将在实际应用具备更强的竞争力,特别是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明应用中。

2、 传统非隔离式LM3445解决方案的原理

图1显示了更高PF的传统非隔离式解决方案。为了方便讲解其工作原理,我们给参数做如下定义:

Vout:LED输出电压

I:单时间段内等效时间值

Kfeed:输入AC电压的前馈系数

Rs:电流检测电阻器

Rup:toff充电电阻器

Cchar:toff充电电容器

Vinmin:AC输入电压最小值

Vinmax:AC输入电压最大值

Vinac:AC输入电压

_noimp:无改进线性稳压电路函数

_imp:改进线性稳压电路函数

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图1 高PF的传统非隔离式无反馈环路图

这是一种典型的无反馈环路应用,但是它具有下列特性:

1、 更高的PF.通过输入前馈电路实现。

2、 恒定电流。这是通过LED输出电压检测toff电路实现。

AC输入电压可表示如下:

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如图1所示,C1大于C2,目的是实现更高的PF值,例如:C1/C2 = 220n/10n.LM3445的针脚5的电压可以表示为:

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toff的充电电流为:

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进行实际计算时,Veb_Q1可选择0.6作为参考设计。

因此,toff可写为:

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频率可以表示为:

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电感器的纹波电流为:

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因此,最大电流和平均电感电流公式可写为:

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那么,LED输出电流为:

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3、 基于传统解决方案的LED电流线性稳压分析

由于LED电流已在上面做了推导,因此我们可以把总公式写为:

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为了推导每个输入电压的LED电流变化,可对公式(10)进行简化,因为Vout一般小于Vinac,并且Vout大于Vbe_Q2.公式可简化为:

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那么,整个输入范围内的LED电流变化可利用公式(11)推导出。

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我们可以看到,LED电流变化严重依赖于Vout,其意味着当LED电压较低时它可以使用更高的线性稳压,在这种情况下,其非常适合于GU10应用。

3.1 批量生产期间Δ LED电流变化分析

公式(11)推导出LED电流变化,但是这种变化在整个输入范围受Rs、L、Cchar和Rup容限的影响。根据批量生产要求,我们对其进行如下分析:

1、 批量生产时Δ LED电流变化受Rs(例如:2%容限)影响如下:

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2、批量生产时Δ LED电流变化受Rup(例如:2%容限)影响如下:

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3、批量生产时Δ LED电流变化受Cchar(例如:10%容限)影响如下:

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4、批量生产时Δ LED电流变化受L(例如:16%容限)影响如下:

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5、批量生产时某个Vled下的Δ LED电流变化极端情况如下:

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正常情况下,相比LED电流变化,这种总变化非常小。

3.2 批量生产期间的LED电流容限分析

在批量生产中,LED电流受到规定。正常情况下,要求它在±5%范围内,其在整个输入范围与Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限无关。

由公式(9),我们知道,LED电流变化受到这些参数的影响。下面是详细分析。

1、批量生产时LED电流变化受Rs(例如:2%容限)影响情况如下:

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2、批量生产时LED电流变化受Rup(例如:2%容限)影响情况如下:

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3、批量生产时LED电流变化受Cchar(例如:10%容限)影响情况如下:

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4、批量生产时总LED电流变化受L(例如:16%容限)影响情况如下:

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5、批量生产时总LED电流变化受kfeed(例如:2%容限)影响情况如下:

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6、批量生产时某个Vled下的极端LED电流变化如下:

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那么,按照批量生产要求总LED电流容限可表示为:

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4、 基于传统解决方案的线性稳压与批量生产电流容限设计举例证明

为了验证上面推导计算结果的有效性,我们按照表1所列参数制作一个样机。

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表1 样机参数

利用第2章的公式(5),得到图2所示频率曲线图:

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图2 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案频率

利用第2章的公式(7)和(8),得到电感器的最大电流和平均电流(参见图3):

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图3 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案输出电流

图4和图5显示了小于90Vac和140Vac的仿真和实验结果。

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图4 90Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果

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图5 90Vac以下电感电流和输出电流的测试结果

测量和仿真得电流波形(参见图4和图5)几乎完全一样;输出纹波表明存在一些小的差异,原因是LED仿真模型和实际测试LED负载之间有差异。

基于LM3445非隔离式LED应用改进型线性稳压解决方案

图6 140Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果

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图7 140Vac以下电感电流和输出电流的测试结果

从图6和图7所示结果来看,计算结果好像密切匹配仿真结果与实际测量结果。这个结果为后面的容限分析提供了有力的理论支撑。

利用第2章的公式9,计算出标准输出电流;得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的最大和最小输出电流:

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图8 90Vac和140 Vac以下无改进解决方案的输出电流

利用3.2小节的公式(23),得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的极端LED电流变化。

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图9 90Vac到140Vac以下无改进解决方案组件容限对LED输出电流变化的影响情况

利用3.2小节的公式(24),得到批量生产期间的总LED电流容限(参见图10):

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图10 批量生产时90Vac到140Vac以下无改进解决方案的总LED电流容限

从公式(24),我们可以看到,90Vac到140Vac以上的正常LED电流变化为17mA,线性稳压为± 3.3%,这对单个组件而言是可以接受的。但是,实际工程的主要问题是总调节可行性,也即考虑组件容限情况下的总LED电流容限。由图8,我们知道,受组件容限影响的输出电流变化约为32mA.因此,批量生产时的总LED电流容限为± 8%以上,如图10所示。在实际生产过程中,这同样很难实现。从上述分析我们可以知道,线性稳压是改善输入范围总容限的关键。

5、 改进型非隔离式LM3445解决方案工作原理

为了改善线性稳压,我们建议使用图11所示线压补偿。

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图11 改进型线压补偿电路

为了降低图11所示电路的闩锁电流容限,可使用更高精度的电阻器R21、R23和R1_comp.为了减少D11、Q3和Q4的正向电压影响,我们建议C7电压稍高一些(例如:20Vdc)。为了知道不同温度下的电流容限,规定V_C7为20V,Q4的V_c为20V,而R_comp为300K,然后进行SPICE温度扫描仿真。结果如图12所示。

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图12 0°C、25 °C、50 °C和85 °C以下温度扫描仿真结果

由该结果,我们知道温度容限为±3%,因此可以进入实际设计。

6、 结论

本文基于传统非隔离式LM3445,彻底分析了输出电流线性稳压和电流容限。结果是线性稳压并不理想。为了解决这个问题,我们提出了一种改进解决方案。另外,我们还阐述了线性稳压和总电流容限。我们通过理论分析和实际实验,证明了这种解决方案的可行性。

参考文献

(1)《LM3445三端双向可控硅开关组件亮度可调离线式LED驱动器》,文章编号:SNVS570K.

(2)《230VAC、6W-15W隔离式反激LED驱动器》,见于《应用手册2069 LM3445》

(3)《120VAC、8W隔离式反激LED驱动器(修订版B)》,见于《应用手册2034 LM3445》

(4)《120VAC、8W隔离式反激LED驱动器(修订版B)》,负于《应用手册2082 LM3444》

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