LM3444/LM3445 非隔離式LED照明應用改進型線性穩(wěn)壓解決方案

摘要

本文基于LM3445的傳統(tǒng)非隔離式解決方案，詳細說明其工作原理。我們將對這種線性穩(wěn)壓公式進行推導和分析。通過實際實驗結(jié)果對計算結(jié)果進行驗證，并證明其能夠非常緊密地匹配。為了評估大批量生產(chǎn)的可行性，我們對輸出電流容限進行了徹底的研究和分析。結(jié)果證明，傳統(tǒng)解決方案難以達到全部批量生產(chǎn)電流容限，特別是在當前市場所要求的更高輸出應用的發(fā)展趨勢下更是如此。

為了解決這個問題，我們建議使用一個簡易線性穩(wěn)壓補償電路。我們從理論計算和實驗測量結(jié)果兩個方面，對這種建議解決方案進行了驗證。根據(jù)推導的輸出電流和線性穩(wěn)壓速率公式，對實際批量生產(chǎn)所要求的最終總電流容限進行分析。根據(jù)所得結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，在達到這種實際要求方面，實現(xiàn)了巨大的進步。最后，基于樣機對測試結(jié)果和計算結(jié)果進行比較；經(jīng)證明，它們非常匹配。

1、 引言

隨著LED室內(nèi)照明的日益增長，非隔離式方案和隔離式方案都變得越來越流行。特別是，高線性穩(wěn)壓的高PF和精確恒定電流模式方案成為市場的主導方案。但是，由于輸出電壓變得更高更寬，傳統(tǒng)LM3444/L3445非隔離式應用無法達到這種寬余量要求，從而進一步限制了LM3445/LM3445的應用。

鑒于上述問題，本文的主要目標在于精確線性穩(wěn)壓要求的高輸出應用。在本文中，通過第2章的一些公式，闡述一般工作原理。利用這些公式，我們可以求解最終輸出電流。為了對結(jié)果進行評估，第3章介紹了一個統(tǒng)一公式，通過它輸出電流得到簡化。另外，第3章還進一步詳細說明了電流容限分析。第4章給出了一些基于樣機的設計例子。文章給出了計算結(jié)果和仿真結(jié)果，并把它們與實驗結(jié)果進行比較。經(jīng)證明，它們的匹配非常好。但是，深入研究后，我們發(fā)現(xiàn)仍然很難達到批量生產(chǎn)的電流容限要求。

為了解決這個問題，我們在第5章提出了一個建議補償電路。通過計算和仿真實驗，對這個補償電路進行了驗證。最終，實驗證明，該電路明顯改善了線性穩(wěn)壓和電流容限性能。利用這種電路，得到改進的線性穩(wěn)壓將在實際應用具備更強的競爭力，特別是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明應用中。

2、 傳統(tǒng)非隔離式LM3444/LM3445解決方案的原理

圖1顯示了更高PF的傳統(tǒng)非隔離式解決方案。為了方便講解其工作原理，我們給參數(shù)做如下定義：
•Vout：LED輸出電壓
•I：單時間段內(nèi)等效時間值
•Kfeed：輸入AC電壓的前饋系數(shù)
•Rs：電流檢測電阻器
•Rup：toff充電電阻器
•Cchar：toff充電電容器
•Vinmin：AC輸入電壓最小值
•Vinmax：AC輸入電壓最大值
•Vinac：AC輸入電壓
•_noimp：無改進線性穩(wěn)壓電路函數(shù)
•_imp：改進線性穩(wěn)壓電路函數(shù)

圖1 高PF的傳統(tǒng)建議非隔離式解決方案

這是一種典型的無反饋環(huán)路應用，但是它具有下列特性：
1、 更高的PF。通過輸入前饋電路實現(xiàn)。
2、 恒定電流。這是通過LED輸出電壓檢測toff電路實現(xiàn)。

AC輸入電壓可表示如下：

如圖1所示，C1大于C2，目的是實現(xiàn)更高的PF值，例如：C1/C2 = 220n/10n。LM3444或者LM3445的針腳5的電壓可以表示為：

toff的充電電流為：

進行實際計算時，Veb_Q1可選擇0.6作為參考設計。

因此，toff可寫為：

頻率可以表示為：

電感器的紋波電流為：

因此，最大電流和平均電感電流公式可寫為：

那么，LED輸出電流為：

3、 基于傳統(tǒng)解決方案的LED電流線性穩(wěn)壓分析

由于LED電流已在上面做了推導，因此我們可以把總公式寫為：


為了推導每個輸入電壓的LED電流變化，可對公式（10）進行簡化，因為Vout一般小于Vinac，并且Vout大于Vbe_Q2。公式可簡化為：

那么，整個輸入范圍內(nèi)的LED電流變化可利用公式（11）推導出。

我們可以看到，LED電流變化嚴重依賴于Vout，其意味著當LED電壓較低時它可以使用更高的線性穩(wěn)壓，在這種情況下，其非常適合于GU10應用。

3.1 批量生產(chǎn)期間Δ LED電流變化分析

公式（11）推導出LED電流變化，但是這種變化在整個輸入范圍受Rs、L、Cchar和Rup容限的影響。根據(jù)批量生產(chǎn)要求，我們對其進行如下分析：

1、 批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Rs（例如：2%容限）影響如下：

2、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Rup（例如：2%容限）影響如下：

3、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受Cchar（例如：10%容限）影響如下：

4、批量生產(chǎn)時Δ LED電流變化受L（例如：16%容限）影響如下：

5、批量生產(chǎn)時某個Vled下的Δ LED電流變化極端情況如下：

正常情況下，相比LED電流變化，這種總變化非常小。

3.2 批量生產(chǎn)期間的LED電流容限分析

在批量生產(chǎn)中，LED電流受到規(guī)定。正常情況下，要求它在±5%范圍內(nèi)，其在整個輸入范圍與Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限無關(guān)。

由公式（9），我們知道，LED電流變化受到這些參數(shù)的影響。下面是詳細分析。

1、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Rs（例如：2%容限）影響情況如下：

2、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Rup（例如：2%容限）影響情況如下：

3、批量生產(chǎn)時LED電流變化受Cchar（例如：10%容限）影響情況如下：

4、批量生產(chǎn)時總LED電流變化受L（例如：16%容限）影響情況如下：

5、批量生產(chǎn)時總LED電流變化受kfeed（例如：2%容限）影響情況如下：

6、批量生產(chǎn)時某個Vled下的極端LED電流變化如下：

那么，按照批量生產(chǎn)要求總LED電流容限可表示為：

4 基于傳統(tǒng)解決方案的線性穩(wěn)壓與批量生產(chǎn)電流容限設計舉例證明

為了驗證上面推導計算結(jié)果的有效性，我們按照表1所列參數(shù)制作一個樣機。

表1 樣機參數(shù)

利用第2章的公式（5），得到圖2所示頻率曲線圖：

圖2 小于90Vac和140Vac的無改進解決方案頻率

利用第2章的公式（7）和（8），得到電感器的最大電流和平均電流（參見圖3）：

圖3 小于90Vac和140Vac的無改進解決方案輸出電流

圖4和圖5顯示了小于90Vac和140Vac的仿真和實驗結(jié)果。

圖4 90Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結(jié)果

圖5 90Vac以下電感電流和輸出電流的測試結(jié)果

測量和仿真得電流波形（參見圖4和圖5）幾乎完全一樣；輸出紋波表明存在一些小的差異，原因是LED仿真模型和實際測試LED負載之間有差異。

圖6 140Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結(jié)果

圖7 140Vac以下電感電流和輸出電流的測試結(jié)果

從圖6和圖7所示結(jié)果來看，計算結(jié)果好像密切匹配仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果。這個結(jié)果為后面的容限分析提供了有力的理論支撐。

利用第2章的公式9，計算出標準輸出電流；得到批量生產(chǎn)期間考慮到參數(shù)容限情況下的最大和最小輸出電流：


圖8 90Vac和140 Vac以下無改進解決方案的輸出電流

利用3.2小節(jié)的公式（23），得到批量生產(chǎn)期間考慮到參數(shù)容限情況下的極端LED電流變化。

圖9 90Vac到140Vac以下無改進解決方案組件容限對LED輸出電流變化的影響情況

利用3.2小節(jié)的公式（24），得到批量生產(chǎn)期間的總LED電流容限（參見圖10）：

圖10 批量生產(chǎn)時90Vac到140Vac以下無改進解決方案的總LED電流容限

從公式（24），我們可以看到，90Vac到140Vac以上的正常LED電流變化為17mA，線性穩(wěn)壓為± 3.3%，這對單個組件而言是可以接受的。但是，實際工程的主要問題是總調(diào)節(jié)可行性，也即考慮組件容限情況下的總LED電流容限。由圖8，我們知道，受組件容限影響的輸出電流變化約為32mA。因此，批量生產(chǎn)時的總LED電流容限為± 8%以上，如圖10所示。在實際生產(chǎn)過程中，這同樣很難實現(xiàn)。從上述分析我們可以知道，線性穩(wěn)壓是改善輸入范圍總?cè)菹薜年P(guān)鍵。

5 改進型非隔離式LM3444/LM3445解決方案工作原理

為了改善線性穩(wěn)壓，我們建議使用圖11所示線壓補償。

圖11 改進型線壓補償電路

為了降低圖11所示電路的閂鎖電流容限，可使用更高精度的電阻器R21、R23和R1_comp。為了減少D11、Q3和Q4的正向電壓影響，我們建議C7電壓稍高一些（例如：20Vdc）。為了知道不同溫度下的電流容限，規(guī)定V_C7為20V，Q4的V_c為20V，而R_comp為300K，然后進行SPICE溫度掃描仿真。結(jié)果如圖12所示。

圖12 0°C、25 °C、50 °C和85 °C以下溫度掃描仿真結(jié)果

由該結(jié)果，我們知道溫度容限為±3%，因此可以進入實際設計。

在安裝補償電路（參見圖11）以后，經(jīng)過改善的toff的充電電流為：

為了減少Q(mào)3和Q4的Vbe的影響（如圖11所示），我們建議，公式（27）的系數(shù)k盡可能地大，這樣我們便可在設計中忽略Vbe。

最大電流和平均電感電流公式與第2章中的公式（7）和公式（8）一樣。最終LED電流公式如下：

如果不考慮其他組件容限，則輸出LED電流的標準化公式可以寫為：

在實際計算過程中，我們可以做如下規(guī)定：0.95Char、0.99Rs、0.99Rup、1.08L和0.99 kfeed，以便得到最大LED輸出電流。該計算公式如下：

利用相同的分析，我們可以做如下規(guī)定：1.05 Char、1.01Rs、1.01 Rup、0.92 L和1.01 kfeed，以便得到最小LED輸出電流。該計算公式如下：

那么，我們可以得到下列頻率范圍和電感電流波形相關(guān)計算方法。

圖13 90Vac和140Vac以下頻率

圖14 90Vac和140Vac以下電感電流

圖15和圖16顯示了90Vac和140Vac以下實驗結(jié)果

圖15 90Vac以下電感電流和輸出電流測試結(jié)果

圖16 140Vac以下電感電流和輸出電流測試結(jié)果

圖17顯示了線性穩(wěn)壓計算結(jié)果：

圖17 線性穩(wěn)壓計算改善至±1%以下

輸出電流為一條輸入電壓的非線性曲線，而非線性曲線。補償參數(shù)極大影響這條曲線。在實際設計中，工程師可以通過調(diào)整線壓補償參數(shù)來對這條曲線進行優(yōu)化。

為了驗證該結(jié)果，使用圖18所示測量結(jié)果與計算結(jié)果比較。

圖18 極端電流容限計算改善至±6.6%

由圖18，我們可以知道，由于使用了改進線性穩(wěn)壓電路，極端電流容限也得到了改善。為了達到這種非常嚴苛的極端電流容限，我們的解決方案必須進一步改進，以適應一些特殊用戶的要求。

如果考慮90Vac以下的電流容限，則可得到：

如果90Vac以上的容限基本相同則可以達到這個目標；因此，圖19給出了一種備選建議方法。

圖19 120Vac到140Vac以下線性穩(wěn)壓改善電路

LM3445/LM3444的針腳5電壓計算方法如圖20和圖21所示：

圖20 添加圖20電路時的LM3445/LM3444針腳5電壓

圖21 使用圖19電路后線性穩(wěn)壓得到較大改善

通過前面的分析，我們可以得出結(jié)論：這種電路可幫助改善線性穩(wěn)壓。但是，如果使用線壓補償電路的電流容限可達到批量生產(chǎn)要求，則不能使用這種附加二極管電路。但是，如果PCB布局有多余空間，則TI仍然推薦在實際設計中使用這種附加二極管電路。

最后，圖22顯示了備選方法的完整改善解決方案。

圖22 大幅改善線性穩(wěn)壓的備選方法完整解決方案

結(jié)論
本文基于傳統(tǒng)非隔離式LM3444/LM3445，徹底分析了輸出電流線性穩(wěn)壓和電流容限。結(jié)果是線性穩(wěn)壓并不理想。為了解決這個問題，我們提出了一種改進解決方案。另外，我們還闡述了線性穩(wěn)壓和總電流容限。我們通過理論分析和實際實驗，證明了這種解決方案的可行性。

參考文獻
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