【導(dǎo)讀】要想提升光效，降低照明設(shè)備散熱器件的成本，唯一的途徑就是提高LED照明驅(qū)動(dòng)電源的效率。與反激隔離驅(qū)動(dòng)架構(gòu)相比較，非隔離驅(qū)動(dòng)架構(gòu)效率更高、成本更低、輸出電壓更高。本文將介紹非隔離單電感的5-40W內(nèi)置MOS的LED恒流驅(qū)動(dòng)方案。
LED照明驅(qū)動(dòng)電源效率是限制光效的提升和整燈的散熱器件成本的瓶頸之一，而非隔離驅(qū)動(dòng)架構(gòu)對(duì)比反激隔離驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，具備效率高（超過90%）、輸出電壓高、BOM少成本低的優(yōu)點(diǎn)。尤其是近期塑包鋁、導(dǎo)熱塑料等絕緣結(jié)構(gòu)材料發(fā)展迅速的狀況下，燈絲燈，球泡燈，PAR燈、日光燈等24W以下應(yīng)用中非隔離方案逐漸占據(jù)主流，今后也將更多切入平板燈，吸頂燈等24W-40W功率段應(yīng)用。
業(yè)內(nèi)率先推出5-40W全功率段的單電感非隔離PN831X芯片系列，應(yīng)用于Buck架構(gòu)的超精簡(jiǎn)外圍的驅(qū)動(dòng)方案，特點(diǎn)是外圍元件少、內(nèi)置高壓開關(guān)MOS和啟動(dòng)MOS、集成自供電技術(shù)、保護(hù)功能齊全（開路保護(hù)通過外部FB電阻設(shè)置，更精確），輸出電流精度高（±3%），線電壓調(diào)整可由外部電阻設(shè)置、可搭配填谷電路。
PN831X系列規(guī)格
圖1：PN8313 30V180mA球泡燈方案原理圖
電路圖中R1和R3為FB分壓電阻，可通過輔助繞組采樣出的電壓，等比例調(diào)節(jié)R1和R3可實(shí)現(xiàn)LED輸出開環(huán)電壓值, FB過電壓保護(hù)點(diǎn)約為3V。無需外接高壓?jiǎn)?dòng)電阻，AC90V輸入下啟動(dòng)時(shí)間仍小于150ms。
方案特點(diǎn)：
1) 單面板設(shè)計(jì)，雙面元器件，面積：32mm*26mm；
2) 全電壓范圍輸出5.4W，可過CE
3）擁有精確輸出開路（低于50V）、短路、過溫保護(hù),CS電阻開短路保護(hù)
4）輸出效率：≥91%（115V，230V滿載）；電流精度±3%
表1：PN8313輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)
由上表可知，此方案在20V-35V負(fù)載范圍內(nèi)全電壓輸入時(shí)電流精度為±1.0%，表現(xiàn)相當(dāng)突出。
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PN8315 110V120mA/13.2W LED驅(qū)動(dòng)方案
圖2：PN8315 110V120mA LED驅(qū)動(dòng)方案原理圖
方案特點(diǎn)：
1) 雙面板設(shè)計(jì)，雙面元器件，面積：13mm*24mm；
2) 176V~264V電壓范圍輸出15W，可過CE
3）擁有精確輸出開路（低于200V）、短路、過溫保護(hù),CS電阻開短路保護(hù)
4）輸出效率：≥92%（176V~264V滿載）；電流精度±3%（200~264V）
5）BOM：16個(gè)，可過CE成本低
圖3：PN8315 110V120mA LED驅(qū)動(dòng)方案溫升曲線及實(shí)物圖
眾所周知，對(duì)于尺寸只有13mm*24mm，一個(gè)一元硬幣大小，溫升才是應(yīng)用過程中最關(guān)鍵的，而在176V輸入滿載80℃環(huán)溫測(cè)試時(shí),PN8315比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手IC表面溫度足足低了11.4℃之多！對(duì)于高溫環(huán)境下的LED燈具而言溫升低即等價(jià)于可靠性高。
PN8316 80V280mA /22.4W LED驅(qū)動(dòng)方案
方案特點(diǎn)：
1) 單面板設(shè)計(jì)，單面元器件，面積：55mm*32mm；
2) 176V~264V電壓范圍輸出22.4W，
3) 擁有精確輸出開路（低于150V）、短路、過溫保護(hù),CS電阻開短路保護(hù)
4）輸出效率：≥93%（176V~264V滿載）；電流精度±3%（176~264V）
5）BOM：18個(gè)，成本低，全插件，易產(chǎn)生
圖4：PN8316 80V280mA LED驅(qū)動(dòng)方案原理圖
[page] LED開關(guān)恒流源在反復(fù)開關(guān)機(jī)下發(fā)生失效經(jīng)常是因?yàn)殚_機(jī)瞬間是芯片承受沖擊電應(yīng)力最大時(shí)刻之一， 如不采取合理措施容易發(fā)生IC擊穿失效。PN831X系列IC均采用雙模切換啟動(dòng)技術(shù)，在剛開機(jī)時(shí)采用超低固頻能夠在10ms內(nèi)系統(tǒng)建立能量，然后轉(zhuǎn)為準(zhǔn)諧振調(diào)頻模式，逐步放開PWM頻率直到負(fù)載平衡，所以在瞬間啟機(jī)或者異常短路重啟時(shí)都能避免能量過沖從而大幅降低開關(guān)應(yīng)力，同時(shí)還能保證200ms快速啟動(dòng)。下圖是PN8316在AC264V輸入條件下瞬間開機(jī)的波形圖，黃色CH1為Drain波形，綠色CH2為VDD波形，可以看到AC264V開機(jī)瞬間功率MOS管的最高尖峰僅為388V，即芯片MOS典型耐壓的70%。VDD的尖峰僅為17.3V，即芯片VDD電源端典型耐壓的42%，余量充分，工作更安全。
圖5：PN8316在AC264V輸入條件下瞬間開機(jī)的波形圖
下表是輸出LED開短路時(shí)的該方案輸入端功率數(shù)值，說明系統(tǒng)將進(jìn)入打嗝/鎖定安全模式直到短路狀態(tài)消除，能夠做到比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的無法直接采樣輸出電壓的保護(hù)機(jī)理要更加安全。
表2：8316在輸出LED開短路時(shí)的輸入端功率
表3：PN8316輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)
由上表可知，此方案在滿載84V 176V~264V輸入時(shí)線性調(diào)整率為±0.14%。
圖6：8316線性調(diào)整率&負(fù)載調(diào)整率
PN831X系列不帶APFC功能，如有需要可增加填谷電路，PF值大于0.8；芯朋微電子也可提供隔離/非隔離全系列的APFC芯片供選擇。
PN8317 170V240mA/40W LED驅(qū)動(dòng)方案
針對(duì)室內(nèi)照明市場(chǎng)急需24~40日光燈/吸頂燈方案，PN8317可以在PN8316方案上通過加大輸入電解電容C1（400V15uF），更改CS檢測(cè)電阻R1(2.2R)，F(xiàn)B電阻檢測(cè)電阻R3(33K)，輸出電容C3（250V4.7uF），Buck電感T1（EE-16）即可將方案設(shè)計(jì)為170V240mA 41W的外驅(qū)方案。當(dāng)然，之所以需要修改CS檢測(cè)電阻是由于PN831X系列輸出電流是由Io=0.5x0.5/Rcs此公式所決定，而Vovp=3.3x(FB上拉電阻/下拉電阻+1)則需要FB上拉電阻/下拉電阻比值加大。而且，修改后的PN8317 170V240mA 41W的AC176V~264V輸入下滿載效率已經(jīng)高達(dá)95%。
圖7：PN8317 170V240mA LED驅(qū)動(dòng)方案原理圖
目前平板燈，吸頂燈等24W~40W高功率段對(duì)內(nèi)置MOS的導(dǎo)通電阻提出更高要求，而推出的PN8317大功率41W單電感解決方案是不二選擇。
綜上所述，本文分析了使用PN831X系列芯片的非隔離單電感LED恒流源方案，分析了5-40W五款方案的各自特點(diǎn)、基本工作機(jī)理、主要參數(shù)性能和各種保護(hù)模式。文中同時(shí)介紹了PN831X系列芯片和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的技術(shù)差異特點(diǎn)，特別是保護(hù)功能更齊全、功率段覆蓋更全面、外圍元件較少。隨著室內(nèi)中小功率LED在燈體結(jié)構(gòu)上逐漸采用塑包鋁，高導(dǎo)熱塑料等絕緣性能良好的材料，非隔離內(nèi)置功率MOS架構(gòu)在電源驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用將會(huì)占據(jù)主流。該P(yáng)N831X系列單電感非隔離LED恒流源非常適用于球泡燈、筒燈、吸頂燈、日光燈等應(yīng)用。
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