基于iW3614的LED調(diào)光電源設(shè)計(jì)

鞠耀武

(賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103)

0 引 言

能源緊張的趨勢(shì)，使得各國(guó)在對(duì)產(chǎn)品的節(jié)能要求上不遺余力。調(diào)光不僅是居家生活所需，而且可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。相比傳統(tǒng)節(jié)能燈、熒光燈而言，LED具有天生的調(diào)光優(yōu)勢(shì)，兼容占據(jù)調(diào)光主流市場(chǎng)的可控硅調(diào)光器，實(shí)現(xiàn)LED無(wú)閃爍調(diào)光是LED驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)所需。

1 可控硅調(diào)光的工作原理

圖1是可控硅調(diào)光器的工作原理圖，VR1、R2和C2構(gòu)成RC延遲電路，當(dāng)C2上的電壓達(dá)到DB3的擊穿電壓時(shí)，Q1導(dǎo)通，電路形成回路。通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻VR1阻值的大小，可以調(diào)整調(diào)光器的導(dǎo)通角，從而改變加在LED驅(qū)動(dòng)上的供電，進(jìn)而達(dá)到調(diào)光的目的。對(duì)于可控硅來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通后有一個(gè)最小維持電流的要求，要想獲得好的調(diào)光效果，這個(gè)維持電流是所有可控硅調(diào)光芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

圖1 可控硅調(diào)光工作原理圖

2 iW3614的工作原理分析

2.1 啟動(dòng)

如圖2、圖3所示，電源接通后，UBUS通過(guò)Uin腳和Ucc之間的二極管對(duì)C4進(jìn)行充電，當(dāng)Ucc超過(guò)啟動(dòng)門(mén)限電壓UCC(ST)(12 V)時(shí)，內(nèi)部的Start_up模塊的使能信號(hào)Enable起作用，將Uin腳的MOS管打開(kāi)，Uin腳和Ucc之間的二極管截止，UBUS不再對(duì)C4充電，此時(shí)C4開(kāi)始對(duì)IC進(jìn)行供電，flyback開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)如沒(méi)有故障發(fā)生，Ucc將由輔助繞組產(chǎn)生的電壓維持。在啟動(dòng)過(guò)程中，IC提供軟啟動(dòng)功能，IC的PWM的占空比是從小到大逐漸增加的。

為降低功耗，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間，增加電阻R9、R10，二極管D5以及耗盡型MOS管Q3。這樣，對(duì)Ucc電容的充電就來(lái)自于兩部分，一路是UBUS電壓通過(guò)Uin腳和Ucc之間的二極管，另一路是UBUS電壓通過(guò)R9、R10、Q3及D4。當(dāng)Ucc電壓超過(guò)UCC(ST)后，Uin電壓被拉低，Q3也被截止，這樣就不會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。

圖2 iW3614內(nèi)部功能框圖

2.2 相位檢測(cè)

如圖4，在啟動(dòng)后的三個(gè)周期通過(guò)Uin腳對(duì)輸入電壓的波形進(jìn)行檢測(cè)，確定是否接入了調(diào)光器，接的調(diào)光器是前切相還是后切相。這個(gè)動(dòng)作是通過(guò)Uin腳的正弦電壓和內(nèi)部的一個(gè)基準(zhǔn)電壓0.14 V進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)Ucross的方波電壓。Uin腳通過(guò)一個(gè)2.5 kΩ電阻接地，它和輸入啟動(dòng)電阻一起分壓，實(shí)時(shí)地再現(xiàn)了輸入端電壓的波形。為了判斷輸入電壓的頻率，IC需要做兩件事情，一是確定電源的工作周期，二是確定導(dǎo)通角。因?yàn)閁cross方波電壓的周期就是電源的工作周期，IC通過(guò)檢測(cè)Ucross電壓相鄰的兩個(gè)上升沿確定電源的工作周期Tperiod，而導(dǎo)通時(shí)間Ucross是通過(guò)內(nèi)部的程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Uin>0.14 V時(shí)，Ucross電平置高，Uin<0.14 V時(shí)，Ucross電平置低，這個(gè)高電平的時(shí)間就是Tcross。Tcross和Tperiod相比較足夠小的時(shí)候，IC認(rèn)為有調(diào)光器存在。對(duì)Uin的波形進(jìn)行求導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)數(shù)值比較大時(shí)，認(rèn)為是接入了前切相調(diào)光器。

圖3 iW3614調(diào)光驅(qū)動(dòng)電原理

圖4 調(diào)光相位檢測(cè)

2.3 Chopping電路

如圖3所示，Chopping電路由D1、D2、D3、C2、C3、L1、R3、R8、Q1等組成，原理很簡(jiǎn)單，Q1導(dǎo)通時(shí)，L1儲(chǔ)存能量，Q1截止時(shí)，L1通過(guò)D3向C3釋放能量。電路在初始化調(diào)光器的三個(gè)周期內(nèi)(約30 ms)，chopping電路的MOS管一直導(dǎo)通，接入的Bleeder電阻為調(diào)光器提供一個(gè)純阻性的負(fù)載。當(dāng)初始化調(diào)光器階段完成過(guò)后，flyback開(kāi)始穩(wěn)定工作，經(jīng)過(guò)20個(gè)AC周期后會(huì)有一次調(diào)光器的二次確認(rèn)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程和初始化階段是一樣的，chopping電路一直導(dǎo)通。相位的計(jì)算公式如下：

(1)

Dimmer Phase值是為了得出一個(gè)決定LED輸出電流的參數(shù)Dratio，

Dratio=Dimmer Phase×K1-K2

(2)

式中，K1=1.768；K2=0.238

當(dāng)Dimmer Phase低于0.14時(shí)，Dimmer Phase被鉗位在0.14，Dratio=1.768×0.14-0.238=1%

當(dāng)Dimmer Phase高于0.70時(shí)，Dimmer Phase被鉗位在0.70，Dratio=1.768×0.70-0.238=100%

設(shè)Iisense(nom)為100%的LED輸出電流時(shí)的值，Iisense為實(shí)際的LED輸出電流值；

Iisense=Iisense(nom)Dratio

(3)

Q1的導(dǎo)通時(shí)間在有調(diào)光器和無(wú)調(diào)光器的情況下是不同的，具體由下面的計(jì)算公式?jīng)Q定：

Ton=8us-4.4us/UUin(無(wú)調(diào)光器)

(4)

Ton=4us-2.2us/UUin(有調(diào)光器)

(5)

斬波電路的工作頻率和Uin的值是有關(guān)的

Tp=12.2us+8.8us/UUin

(6)

當(dāng)Ucross處于低電平的時(shí)候，Q2一直導(dǎo)通。當(dāng)Ucross處于高電平的時(shí)候，Q2的導(dǎo)通時(shí)間由公式(4)決定，工作周期由公式(6)決定。

2.4 谷底檢測(cè)

如圖3所示，iW3614這個(gè)芯片的谷底檢測(cè)是在Usense腳實(shí)現(xiàn)，通過(guò)輔助供電繞組將變壓器的去磁過(guò)程再現(xiàn)，通過(guò)R4、R5連接到Usense腳，內(nèi)部通過(guò)一定的處理來(lái)偵測(cè)谷底，而且iW3614的谷底偵測(cè)是隨機(jī)的，通過(guò)觀察Usense的波形可以看到，只有在Usense波形有變化的時(shí)候，MOS管才開(kāi)通，而且Usense波形的變化是沒(méi)有規(guī)律的，隨機(jī)的。

2.5 保護(hù)功能

iW3614這款芯片內(nèi)置的保護(hù)功能非常齊全，當(dāng)Uin>1.8 V時(shí)，輸入過(guò)壓保護(hù)，IC進(jìn)入重啟模式，檢測(cè)8個(gè)周期，如果Uin電壓還是超過(guò)1.8 V時(shí)，繼續(xù)認(rèn)為過(guò)壓，直到過(guò)壓情況消除。

輸出過(guò)壓保護(hù)則通過(guò)Usense腳實(shí)現(xiàn)，Usense<1.538 V，IC正常工作，Usense>1.538 V時(shí)，IC會(huì)將PFC關(guān)斷，只有當(dāng)Usense>1.7 V時(shí)，IC進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。輸出短路保護(hù)也是進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，而且是自動(dòng)重啟三次。

除上述保護(hù)功能外，iW3614還具有過(guò)溫保護(hù)功能，它是通過(guò)VT腳接一個(gè)NTC電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，過(guò)溫的表現(xiàn)是線性降低輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 變壓器的設(shè)計(jì)

3.1.1 確定匝比

反激電源變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)MOS管的電壓來(lái)選擇反射電壓值UOR，然后根據(jù)輸出電壓來(lái)選擇匝比：

(7)

3.1.2 確定磁芯

變壓器磁芯選擇，理論計(jì)算有AP法，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，這樣磁芯的截面積Ae就確定下來(lái)了，再結(jié)合產(chǎn)品尺寸選擇合適的磁芯。

3.1.3 確定初級(jí)電感量

根據(jù)能量守恒原理，有一個(gè)最小的電感量限制，這個(gè)要求flyback工作在DCM模式，有：

Pinη=Po?UinIinη=UoIo

(8)

另外，對(duì)于反激拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，會(huì)有一個(gè)最大的伏秒限定，就是有一個(gè)Tonmax，這時(shí)，反激應(yīng)該工作在臨界導(dǎo)通模式，根據(jù)flyback的原理，電感上的電流波形是一個(gè)三角波，得出：

(9)

根據(jù)伏秒平衡

UINTon=N(Uo+Uf)Tr

=N(Uo+Uf)(Ts-Ton)?

[UIN+N(Uo+Uf)]To

=N(Uo+Uf)Ts?

(10)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般會(huì)把頻率設(shè)定在60～80 kHz之間，這樣可以計(jì)算出一個(gè)電感量的范圍。Bs通常取值通常在0.25～0.3 T之間，這樣可以兼顧磁芯性能及其經(jīng)濟(jì)性。最后可以反向算一下頻率等參數(shù)。至于變壓器的繞法，可依據(jù)EMI效果、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)選擇合適的方案。

3.2 PFC電感量的選擇

PFC電感量沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算公式可遵循，因?yàn)閕W3614的PF控制是開(kāi)環(huán)的，Ton時(shí)間是固定的，Q2的Us電壓頂上來(lái)的時(shí)候，Q2會(huì)進(jìn)入線性區(qū)，這樣Q2的溫升會(huì)比較高。提高PF的基本原則是增加chopping的導(dǎo)通時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

iW3614芯片使用了獨(dú)特的數(shù)字控制技術(shù)，它能檢測(cè)調(diào)光器的類(lèi)型和相位，能兼容市場(chǎng)主流的可控硅調(diào)光器，實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍調(diào)光，通過(guò)本文對(duì)iW3614芯片工作過(guò)程及關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)方法介紹，能幫助設(shè)計(jì)人員快速掌握iW3614在調(diào)光驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用。