基于PT4201的離線式LED射燈設(shè)計(jì)方案

LED照明以其高節(jié)能、長(zhǎng)壽命、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)許多地方已經(jīng)有應(yīng)用于功能性照明領(lǐng)域的成功案例。我國(guó)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)漸漸走在了世界的前列，隨著國(guó)家和地方政府的政策鼓勵(lì)，許多地方在室外照明如：路燈、景觀照明等；室內(nèi)照明如：地鐵、地下車庫(kù)、博物館；特殊場(chǎng)合照明：如低溫照明、礦燈照明、汽車燈等方面被應(yīng)用廣泛。一些傳統(tǒng)照明企業(yè)開(kāi)始投資轉(zhuǎn)型LED燈具。 LED室內(nèi)照明和應(yīng)用技術(shù)上正在突飛猛進(jìn)。室內(nèi)照明無(wú)疑是個(gè)巨大的市場(chǎng)，市場(chǎng)前景毋庸置疑。相信在2010年會(huì)在家居照明中占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。

室內(nèi)照明最普遍的燈具就是E27、GU10、PAR30、PAR38等AC220V高壓直接輸入的LED射燈。E27、Gu10 LED射燈需要AC直接變換成DC的LED恒流源，才能驅(qū)動(dòng)高亮度LED光源發(fā)光。目前還不能提供單個(gè)SoC的集成電路產(chǎn)品，大多數(shù)是采用原邊或副邊反饋的開(kāi)關(guān)電源方案。但是原邊反饋的方案存在輸出電流精度不高的問(wèn)題，一般都在+-5%左右。而采用副邊反饋的反激式恒流驅(qū)動(dòng)方案，輸出電流精度可達(dá)+-2%。

可用于副邊反饋的反激式恒流驅(qū)動(dòng)方案的驅(qū)動(dòng)IC很多，本文將詳細(xì)介紹基于PT4201控制芯片的離線式LED射燈設(shè)計(jì)技術(shù)。

1W-30W離線式高亮度LED驅(qū)動(dòng)控制器PT4201

PT4201是一款工作于電流模式、可驅(qū)動(dòng)1W至30W照明或射燈的高亮度LED驅(qū)動(dòng)控制器，適用于1W至30W的各種LED照明和射燈應(yīng)用，包括E27、PAR30、PAR38等?；赑T4201的隔離式光耦反饋的高亮度LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒流精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、無(wú)閃爍和EMI輻射低的顯著優(yōu)點(diǎn)。在正常工作狀態(tài)下控制器的振蕩頻率可以通過(guò)外部電阻精確設(shè)定。同時(shí)，PT4201的前側(cè)消隱電路幫助克服外部功率器件開(kāi)啟瞬間的電壓毛刺，能有效避免控制器的誤動(dòng)作造成的LED燈閃爍。內(nèi)部集成的電流斜率補(bǔ)償功能提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

PT4201提供完善的保護(hù)功能以提高LED照明系統(tǒng)的可靠性，包括逐周期過(guò)流保護(hù)（OCP）、VDD過(guò)壓保護(hù)（OVP）以及VDD欠壓保護(hù)（UVLO）等。OUT輸出脈沖高電壓被嵌制在18V保護(hù)外部功率MOS。短路保護(hù)功能防止LED負(fù)載短路時(shí)損壞系統(tǒng)。
PT4201提供SOT-23-6封裝，引腳排列見(jiàn)圖1。

圖1：PT4201引腳排列

PT4201基本功能描述

PT4201集成了多種增強(qiáng)功能，并以其極低的啟動(dòng)和工作電流、多重保護(hù)功能為小功率LED照明驅(qū)動(dòng)提供性能優(yōu)良可靠的低成本解決方案。

啟動(dòng)及UVLO：
PT4201通過(guò)一個(gè)連接到高壓線上的電阻Rstart對(duì)連接在Vdd腳上的電容Chold充電實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。在上電之初，Chold電容上的電壓為0，PT4201處于關(guān)斷狀態(tài)，從Rstart上流下的電流對(duì)Chold進(jìn)行充電從而使Vdd電壓升高，當(dāng)Vdd腳電壓達(dá)到芯片啟動(dòng)電壓VDD-ON之后PT4201開(kāi)始工作，工作之后流進(jìn)Vdd電流增加，由輔助繞組開(kāi)始對(duì)芯片進(jìn)行供電。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路使PT4201啟動(dòng)之前VDD只消耗極低的電流，這樣可以選用比較大的啟動(dòng)電阻Rstart從而改善整機(jī)效率。對(duì)于一般的通用輸入范圍的應(yīng)用，一個(gè)2Mohm，1/8W的電阻和一個(gè)10uF/50V的電容可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的啟動(dòng)電路（圖2）。

圖2：PT4201啟動(dòng)電路

電流反饋及PWM控制：

PT4201采用光耦檢測(cè)輸出LED串的電流并通過(guò)改變輸出脈沖占空比達(dá)到輸出電流控制目的。如圖3所示，當(dāng)LED電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，LED電流在采樣電阻R2上的壓降達(dá)到光耦發(fā)光管導(dǎo)通電壓，發(fā)光管導(dǎo)通使FB電壓下降，PT4201根據(jù)FB電壓的大小改變輸出脈沖占空比實(shí)現(xiàn)恒定電流輸出。

圖3：光耦電路

LED開(kāi)路：
LED負(fù)載開(kāi)路時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流在電阻R1和R2上產(chǎn)生一個(gè)壓降使光耦發(fā)光管被打開(kāi)，使PT4201的FB降低。當(dāng)FB降低到一定程度時(shí)PT4201進(jìn)入突發(fā)模式，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。因此LED燈開(kāi)路是安全的。

LED短路及采樣電阻短路保護(hù)：
當(dāng)LED負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，光耦發(fā)光管兩端電壓等于輸出電壓，由于輸出功率很小因此整個(gè)系統(tǒng)工作是安全的。當(dāng)采樣電阻發(fā)生短路時(shí)，由于光耦發(fā)光管兩端電壓為零，發(fā)光管不導(dǎo)通導(dǎo)致FB電壓快速爬升到保護(hù)閾值。在Rosc為100Kohm情況下，過(guò)32mS后PT4201將自動(dòng)關(guān)閉。

工作頻率設(shè)定：
PT4201的Rosc引腳為設(shè)定PWM頻率提供了方便,用一個(gè)電阻接在Rosc引腳和GND之間可以對(duì)PWM頻率進(jìn)行設(shè)定（圖4）。PWM頻率與設(shè)定電阻之間的關(guān)系遵循以下關(guān)系:Fosc=6500/Rosc。FOSC單位KHz，Rosc單位Kohm。

PT4201在正常工作時(shí)會(huì)周期性地改變PWM工作頻率進(jìn)行頻率抖動(dòng)，周期性改變的頻率把EMI傳導(dǎo)干擾擴(kuò)展到更寬的頻譜范圍內(nèi)從而降低了傳導(dǎo)段的EMI干擾。

圖4：工作頻率設(shè)定

電流采樣以及前沿消隱:

PT4201的CS引腳的功能之一是采樣外部MOSFET電流進(jìn)行電流斜率補(bǔ)償,二是提供逐周期的MOSFET過(guò)流保護(hù)功能。PT4201通過(guò)采樣與功率MOSFET串聯(lián)的采樣電阻來(lái)采樣流過(guò)MOSFET的電流，流過(guò)MOSFET的電流在采樣電阻Rcs上轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，CS上電壓和FB電壓共同決定了PWM脈沖占空比。
在PWM每個(gè)導(dǎo)通周期當(dāng)CS引腳的電壓超過(guò)內(nèi)部門限電壓時(shí)MOSFET將立即被關(guān)掉防止過(guò)流對(duì)器件的損傷。過(guò)流門限電壓與MOSFET的電流可由以下關(guān)系確定：
IOC=Voc/Rcs
其中IOC為MOSFET電流，Voc為過(guò)流門限電壓，Rcs為采樣電阻大小。內(nèi)部過(guò)流的門限值與PWM占空比大小有關(guān)，當(dāng)PWM占空比為0時(shí)，過(guò)流門限值為0.80V。

由于變壓器副繞組整流電路反向恢復(fù)時(shí)間以及初級(jí)繞組寄生電容等因素影響，在每一個(gè)PWM周期開(kāi)啟瞬間會(huì)在采樣電阻上產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的尖峰電壓。為此PT4201會(huì)在MOSFET開(kāi)啟后屏蔽CS采樣輸入一段時(shí)間TBLK，在這段時(shí)間內(nèi)，過(guò)流保護(hù)被關(guān)閉不會(huì)關(guān)掉外部MOSFET。這樣可以避免MOSFET開(kāi)啟瞬間在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓毛刺而造成誤動(dòng)作。PT4201提供的這種功能可以省去電流采樣電路所需的RC濾波器(圖5)。

圖5：省略RC濾波器

VDD 過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，例如對(duì)于光耦開(kāi)路或者反饋開(kāi)路的情況，光耦輸出電流接近零致使FB端電壓上升。FB電壓上升將會(huì)使PT4201工作在過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，因?yàn)橛卸嘤嗟碾娏鞴┙o負(fù)載，如果超出了負(fù)載所需電流大小會(huì)使輸出電壓迅速爬升。由于輔助繞組的電壓與輸出電壓成一定的比例，輸出電壓升高引起輔助繞組電壓升高進(jìn)而使VDD電壓升高，當(dāng)PT4201檢測(cè)到VDD引腳電壓達(dá)到過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)會(huì)關(guān)閉PWM。當(dāng)OVP被觸發(fā)時(shí)由于沒(méi)有能量供給負(fù)載及輔助繞組，VDD電壓和輸出電壓下降，當(dāng)降低到OVP解除電壓時(shí)將重新開(kāi)啟正常工作。這時(shí)如果故障解除則正常工作，如果故障依然存在將重新進(jìn)入OVP保護(hù)狀態(tài)（圖6）。

圖6：VDD過(guò)壓保護(hù)

OUT輸出驅(qū)動(dòng)：

PT4201的OUT腳用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極。優(yōu)化設(shè)計(jì)圖騰柱形式輸出的驅(qū)動(dòng)能力使驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和EMI得到良好的折衷。同時(shí)，OUT的輸出高電位被限制到了18V，從而可以保護(hù)由于VDD升高可能對(duì)MOSFET造成的損傷。內(nèi)部OUT和GND之間有一個(gè)電阻,可以在芯片不工作時(shí)將外部MOSFET的柵極可靠置為0電位。

基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案

圖7：基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案

基于PT4201的E27 3W離線式射燈方案應(yīng)用線路是典型的反激式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用副邊反饋（即光耦反饋），以提高輸出電流精度。相比于原邊反饋電路電流精度+-5％，副邊反饋的電路精度在+-2%以內(nèi)，成本只增加了0.3RMB，但卻給大批量生產(chǎn)時(shí)提供了便利。

3W E27的應(yīng)用一般負(fù)載接3顆1W的LED，每顆LED的VF在3.4V+-0.2V左右。一般電流為300mA-350mA。工作原理如圖7所示，AC85V-265V交流電輸入，通過(guò)L1（相當(dāng)于一個(gè)保險(xiǎn)絲，抗浪涌）后接入整流橋，從整流橋出來(lái)的電壓大約為1.4XVin，電流1A左右。C1是一個(gè)濾波電容，電容值的選擇大約是負(fù)載功率的1-3倍即可，此處3W的應(yīng)用采用4.7uF的電容，如選擇太小的會(huì)導(dǎo)致紋波大，選擇太大的空間又不允許。PT4201的VDD端一開(kāi)始由R4降壓后供電，18V啟動(dòng)，啟動(dòng)之后就通過(guò)變壓器輔助繞組供電，電壓在9-27V之間。R1、C3和D2是一個(gè)RCD吸收回路，用來(lái)吸收Q1開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的尖峰。減小R1，可以提高吸收效果，但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，建議采用折衷的方式。PT4201的RI端所接電阻R7是用來(lái)設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的，此處把頻率設(shè)定在65kHz。PT4201的CS端連接采樣電阻R8、R9，設(shè)置電流。變壓器是一個(gè)重要的部件，采用反激式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器5，6斷導(dǎo)通，D1的耐壓為變壓器輸入電壓/匝數(shù)比+變壓器輸出電壓。當(dāng)Q1開(kāi)時(shí)，變壓器1，2端有電流，3，4，5，6端截止，D1的耐壓為變壓器輸出電壓X匝數(shù)比+變壓器輸入電壓。D1，T1，Q1是影響效率的關(guān)鍵，D1反向耐壓與T1匝數(shù)比互相牽制。電路右邊SR1100是一個(gè)肖特基二極管或者可采用快恢復(fù)二極管整流。當(dāng)空載時(shí)，R3是一個(gè)限流電阻，限制這條支路上的電流在10mA，D4在這里選用12V穩(wěn)壓管，起到一個(gè)整流限壓的作用，在空載時(shí)才工作，R2是一個(gè)分流電阻，R2上流過(guò)的電流為10mA，R2左端的電壓為1V。帶負(fù)載時(shí)，R6兩端的電壓為1V左右，通過(guò)選擇電阻值不同調(diào)節(jié)輸出電流，這是1X3W的應(yīng)用，工作電流設(shè)定在300mA左右。U2是光耦，當(dāng)R6上的電流變大時(shí)，發(fā)光二極管上的電流變大，光敏電阻感應(yīng)到之后，反饋電流到PT4201FB端，F(xiàn)B端電壓變小，PT4201通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)使能量降低，隨之降低R6上的電流。由于是從輸出端采樣電流反饋到芯片，這樣的副邊反饋，實(shí)時(shí)對(duì)電流進(jìn)行微調(diào)，提高了輸出電流的精度。

圖8：3W E27方案的照片，體積很小，放入E27燈頭綽綽有余

改變這個(gè)方案的部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以設(shè)計(jì)5W、7W、12W的各種方案，工作原理雷同。由于5W-12W的應(yīng)用空間較大，所以允許在3W的基礎(chǔ)上加上一些輔助電路。如增加抗雷擊器件、可以提高EMC的共軛電感、PFC、∏濾波器等等，以提高整個(gè)電路過(guò)EMC的能力、工作效率、PFC。