具有高功率因数和超宽输出电压的LED驱动器分析

    1. 初级端调节控制器及其运行模式

    LED 驱动器的初级端调节 (PSR) 解决方案使得固态照明 (SSL) 产品符合国际法规(比如 Energy Star)。PSR 仅仅根据电源初级端的信息，精确控制输出电流，不仅消除了输出电流感测损耗，而且无需次级反馈电路。因此，允许在小尺寸改型灯具中使用驱动器电路以及满足国际法规，而不会过多增加 SSL 应用的成本。Fairchild 的 FL7733 脉宽调制 (PWM) PSR 控制器有助于简化设计从而满足 SSL 要求，同时无需使用外部元件。FL7733 提供高精度输出电流调节，以应对变压器磁化电感、输入和输出电压信息的改变，并提供强大的保护功能实现系统可靠性。

    图 1. 初级端调节反激式转换器和关键波形

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    模式 I

    在 MOSFET 导通期间 (tON)，输入电压 (VIN) 施加在变压器的初级端电感 (Lm) 上。然后，MOSFET 的漏电流 (IDS) 从零线性增加至峰值 (IDS.PK)，如图 1所示。在此期间，电能从输入获取并存储在电感中。

    模式 II

    MOSFET (Q) 关断时，变压器中存储的电能迫使整流二极管 (D) 导通。当二极管导通时，输出电压 (VOUT) 和二极管正向压降 (VF)施加到变压器次级端电感，二极管电流 (ID) 从峰值 (IDS.PK?NP/NS) 线性减小至零。在电感电流放电时间 (tDIS) 结束时，变压器中存储的所有能量都被传输至输出。

    模式 III

    当二极管电流达到零时，变压器辅助绕组电压开始因初级端电感 (Lm)与 MOSFET (Q) 上加载的有效电容之间的谐振而振荡。

    输出电流可以通过峰值漏电流和电感电流放电时间估计，因为输出电流与稳态下的二极管电流平均值相同。漏电流峰值由 CS 峰值电压检测器确定，而电感电流放电时间由 tDIS检测器检测。根据峰值漏电流、电感电流放电时间和工作开关周期信息，创新型 TRUECURRENT 计算模块可估算输出电流如下：

    (1)

    (2)

    图 2. DCM 控制

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    应该保证 DCM，以实现反激式拓扑中的高功率因数。为了在较宽的输出电压范围内维持 DCM，在线性频率控制中由输出电压线性调节开关频率。输出电压由辅助绕组和连接至 VS 引脚的电阻分压器检测，如图 2所示。当输出电压降低时，次级二极管导通时间增加，DCM 控制会延长开关周期，从而在较宽的输出电压范围内保持 DCM 运行。

    下一页：单级反激式LED驱动器的设计步骤

    2. 具有较宽输出电压范围的 LED 驱动器

    2.2. 系统设计

    本小节介绍基于FL7733的单级反激式 LED 驱动器的设计步骤。选择了50 W 离线 LED 驱动器作为设计示例。设计指标如下：

    ● 输入电压范围： 90 ~ 277 VAC、 50 ~ 60 Hz

    ● 标称输出电压和电流： 50 V/1.0 A

    ● 工作输出电压： 12 V ~ 50 V

    ● 最低频率： 88%

    ● 工作开关频率： 65 kHz

    ● 最大占空比： 40%

    初级匝数由法拉第定律确定。Np,min是由初级绕组两端的最小线路输入电压峰值和最大导通时间固定。可避免磁芯饱和的变压器初级端最小匝数可由下式给出：

    (3)

    其中Ae为磁心横截面积(以 mm2为单位)，而 Bsat为饱和通量密度(以特斯拉为单位)。

    (4)

    根据等式(3)，初级到次级匝比由检测电阻和输出电流确定如下：

    (5)

    (6)

    (7)

    由于饱和通量密度随着温度的升高而减小，如果变压器用于封闭外壳内，应考虑高温特性。

    图 3. 实现较宽输出电压范围的 VS 电路

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    选择 R1 和 R2的第一个考虑因素是将 VS设置为 2.7 V，以确保额定输出功率下能够以高频率运行。第二个考虑因素是 VS 消隐。输出电压由辅助绕组和连接到 VS 引脚的电阻分压器检测。然而，在不包含 DC 母线电容器的

    单级反激式转换器中，在低线路电压下由于较小的 Lm 电流会引起 VS 电压检测错误，辅助绕组电压无法箝位至反射的输出电压。在线路电压过零点，频率快速下降，可能导致 LED 灯闪烁。为了在整个正弦线路电压范围内维持恒定频率，VS 消隐会通过检测辅助绕组在低于特定线路电压 VIN.bnk时禁用 VS 采样。第三个考虑因素是 VS 电平，应该介于 0.6 V 与 3 V 之间，以避免在宽输出应用中触发 SLP 和 VS OVP。

    由于 FL7733 的 VDD工作范围是 8.75 ~ 23 V，如果输出电压低于 VOUT-UVLO (8.75×NS /NA)，应该通过触发 UVLO 关断 MOSFET开关。因此，应该在较宽的输出电压范围内12 ~ 50不触发 UVLO，从而提供合理的 VDD。通过添加外部绕组 NE和包含电压调节器的 VDD电路，可以提供VDD。NE的设计应该确保以最低输出电压 (Vmin.OUT) 提供 VDD时，不会触发 UVLO。外部绕组 NE可通过下式确定：

    (9)

    其中，VCE.Q1是 Q1 的集电极-发射极饱和电压，VF.D3是 D3 的正向电压，VF.D1是最低输出电压下 D1的正向电压。

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