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基于HV9931的单位功率因数LED驱动器设计

时间:2008-1-27, 来源:互联网, 文章类别:电子综合
1 引言

高亮度和超高亮度LED的发展引发了照明工业的一场革命。半导体光源以其高可靠性和高效率在许多场合已替代了白炽灯泡。LED的许多应用要求离线电源驱动,提供恒定DC输出电流、低DC输出电压和单位功率因数(即输入功率因数等于1或接近于1)。传统的解决方案是采用回扫找变换器拓扑结构,但该方案需要电源变压器。

SUPERTEX公司推出的固定频率PWM控制器HV9931提供了简单无变压器电流源变换器解决方案。HV9931利用单级PFC降压一升压(buck-boost)和降压(buck)拓扑控制LED灯,无需电源变压器,可从85~264Vac的通用输入驱动LED灯,并获得单位功率因数和高降压比。HV9931非常适合于需要功率因数校正(PFC)和低输入电流总谐波失真(THD)的LED照明应用,例如交通信号、路灯、装饰照明、建筑照明和离线LED灯等。

2 引脚功能及主要特点

HV993l采用8引脚SOIC和DIP封装,引脚排列如图1所示。引脚功能如表1所列。

HV9931的主要特点如下:

●利用一个单级PFC降升压一降压拓扑驱动和控制LED灯;

●恒定输出电流;

●较大的降压比;

●获得单位功率因数和低输入电流谐波失真;

●固定频率或固定关断时间操作;

●内置450V的线性稳压器;

●输入和输出电流感测,输入电流限制;

●可实现PWM和相位调光及模拟调光。

3 功能与工作原理

基于HV9931的离线PFC LED驱动器电路工作原理如图2所示。

HV9931驱动的是一个单级单开关非隔离恒流输出降升压-降压(buckboost-buck)电源变换器。AC线路输入通常为85~264Vac,经全波桥式整流后直接加至VIN脚(该脚上的DC输入电压为8~450Vac),经内部高压稳压器电路,产生7.5 V的VDD电压。VDD电压可做为电流感测比较器的参考。内部稳压器带欠压保护电路,只要VDD脚上的电压低于6.5 V,HV9931即关断。VDD脚上的旁路电容CDD≥1μF,要求其有低ESR。在VDD脚外部施加一个高于7.5 V的电压也可使HV9931工作,在此情况下,内部线性稳压器将截止。

连接在RT脚与CATE脚之间的电阻RT用于设置恒定关断时间Toff

如果RT连接在RT脚与地之间,RT值将设置开关频率FS

RS1和RS2为电流感测电阻。RS1和RS2上的电压(-VS1与-VS2)分别经RVS1与Rref1、RCS2与Rref2组成的分压器分压,输入到电流感测比较器的反相端(CS1和CS2)。比较器的电流感测门限由负电流感测信号来编程。当CSl脚或CS2脚上的电压低于地电平时,GATE脚上的输出脉冲将终止。脚CS2内部的比较器负责输出电流调节。通过LED的输出电流IO可利用下式计算:

式中:△iL2为L2的峰-峰值电流纹波。通常△iL2=0.3iL2。

CS1脚内部比较器限制输入电感L1的电流iL1,其电流门限可按式(4)计算:

式中:iL1(PK)为L1的最大峰值电流。

HV9931的PWMD脚连接到VDD,栅极驱动器使能,电路正常工作。若PWMD脚接地或开路,栅极驱动器截止,MOSFET(Q1)关断。若在PWMD脚施加一个TTL兼容方波信号,可以获得PWM调光。在额定输出电流下。当PWM占空比为5%时,LED亮度降低50%,PWM频率应高于100 Hz,以使人眼看不到频闪。通过施加5%的LED电流,采用模拟(线性)调光,也可获得50%的亮度。HV9931还能实现相位调光。根据标准墙上调光器的相位控制波形,经PWM脚或VIN脚可使HV9931截止,中断输出LED电流。

单级单开关非隔离无变压器buckboost-buck电源拓扑由两部分组成:L1、Cl、Dl和D4组成输入buckboost级,它与L2、D2、D3和C0组成的输出buck级相级联。两个变换器级共用一个功率开关Q1。输入buckboost级工作在不连续导电模式(DCM),输出级则在连续导电模式(CCM)运行。系统步降(step-down)比为两个变换器级步降比之乘积。于是,不用变压器就可获得高降压比。

在系统加电后,桥式整流电压使Q1导通,L1中的电流线性增加。同时,电容C1为输出降压级加电,流过L2的电流也线性增加。iL1的电流通路为:D4→L1→Q1→RS1;iL2的电流路径为:C1正端→Q1→RS2→LED→L2→D2→C1负端。

当Q1关断时,D1正向偏置,输入电感电流iL1转入到C1,电流流向为:D4→L1→C1→D1;同时,流过L2的电流流过D3,iL2流向为:L2→D3→LED。Ll中的电流线性下降,只要一降为零,D1则反向偏置,阻止iL1流动。在Q1再次导通之前,iL1=0的时间为L1的死区时间。此时,iL2继续流动,直到降至零后新的开关周期开始,Ql导通。在AC线路周期之内,可以认为开关占空因数D和开关频率?s不变,于是,峰值L1电流iL1(pk)和平均输入电流直接与输入电压成正比:

式中:Reff为有效输入电阻。

L1中的峰值电流iL1(pk)正比于输入电压,平均输入电流呈正弦波形。因此,可获得单位功率因数和低输入电流谐波失真。

4 主要元件的选取

设LED电源变换器的AC输入电压为80~260Vac,输出电流IO=750 mA,输出电流纹波为±10%,输出电压VO=25 V,THD<20%,开关频率?s=100 kHz,效率η=76%,主要元件的选择如下。

4.1 RT的选择

TS=1/fs=1/100 kHz=10μs,若Toff=8μs,由式(1)得:

RT(kΩ)=Toff(μs)×25-22=8×25-22=178 kΩ

4.2 电感器L2电感值的确定

若允许峰-峰值纹波电流△iL2=0.3iL2=0.3×0.75A=0.225 A,L2中的峰值电流为:

iL2(pk)=iL2+1/2(△iL2)=0.75A+1/2(0.225A)=0.86A

设输入级效率η1=0.85,输出buck级效率η2=0.9,总效率η=η1η=η2≈0.76。L2值可按下式计算:

4.3 RS2和RCS2的选择

输出电流感测电阻RS2的功率消耗设定为0.25W,RS2=0.25 W/I20=0.25w/(0.75A)2≈0.44Ω。RS2可选用0.47Ω/0.5 W的电阻。根据式(3)得:

4.4 计算输入电感L1值

输入电感器电感值按式(8)计算:

4.5 确定RS1和RCS1

最大峰值电流iL1(pk)发生在最低线路电压VAC(min)上,可以计算在VAC(min)下的D=0.41,iL1(pk)值为:

若允许RS1在VAC(min)下的功耗为0.1 W,下式成立:

由式(10)可得:RS1≈0.332Ω,功耗为0.25 W。

将峰值输入电流限制在iL1(pk)的120%,并选择Rref1=100 kΩ,根据式(4)得:

4.6 选择C1值

C1值可利用下式计算:

式中,参数δ=31,?ac=50 Hz,η2=90%,系数K3=0.15,IO=0.75A,VO=25 V。计算出:C1≈31μF。

电容C1上的电压根据式(12)计算:

式中:VC1(max)为260 Vac输入下C1上的电压,δmax为260 V下的最大值,δmax=146。将有关数据代入式(12)得:

式中,系数Kc(min)=0.032。根据式(12)可得:VCl(pk)=(1+0.032)x182≈188 V

因此,C1可选用33μF/200 V的电容。

4.7 功率器件的选择

通过简单计算,Q1的漏一源极电压可达500 V,Q1选用800 V、2A的SPPO2N80C3,其RDS(on)=2.7Ω,栅极电Qg=12nC,二极管Dl选用BYD57K(800V,1A,trr=75 ns),D2和D3选用BYD57J(600 V,1A,trr=30 ns),D4选用BYD57G(400 V,1A,trr=30 ns),此外,输出电容C0选取1 μF/50 V。

5 结束语

HV9931是为高亮度LED串供电的通用AC输入非隔离恒流源控制IC。该固定频率PWM控制器利用一个单级PF buckboost-buck专利拓扑为LED负载提供恒定输出电流,满足输入AC电流谐波限制标准,获得接近1的功率因数。

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