从芯片和系统两个层面对电源性能详细分析

LED驱动电源目前正朝着高功率因数、高输出电流精度、高效率、高可靠性和低成本、小尺寸方向发展，因此，带PFC(功率因数校正)的原边电流反馈 准谐振技术方案已渐渐成为市场主流。现有的照明用LED驱动电源目前标准仍有待统一，但PFC在全电压范围内做到0.95以上、输出电流精度做到±3%以 内、效率做到90%以上、启动时间在0.5s以内、输出电压纹波小于5%等，已经成为一些业内领先的芯片供应商设置的技术竞争门槛。

要达到 上述这些要求，市场必然要求有一款功能全面、性能优异的芯片，同时，这也对系统设计者提出了更高的要求。本文从芯片和系统两个层面，详细分析了影响上述性 能的原因和提高各项性能的手段，并给出了实验波形和数据。无论对于LED驱动芯片设计者还是系统设计者而言，都具有一定的参考意义。

基本原理

LED驱动电源功率较小，器件的应力裕度较大，加之其对尺寸有严格要求，需采用尽可能小的原边电感量，因此，它一般采用DCM峰值电流控制PFC的方式。其原、副边的电流方程为：

式中：n=Np/ Ns为原副边匝比；IP为原边峰值电流。

由 公式(1)可知，要使输入电流峰值IP跟随输入电压Vm做正弦变化，只要让ton在一个正弦半波时间内保持恒定就能做到。另一方面，如果采用乘法器方案， 强制让IP跟随Vm变化，则ton必然在一个正弦半波周期内保持恒定。前者称之为固定导通时间PFC方案。其优点是可以节省Vins的采样电阻，节省芯片 管脚，提高系统效率。但由于实现PFC是靠DCM和原边起始电流为0这两个先决条件保证的，所以在CCM或非准谐振模式工作的系统中应用受限。后者称之为 乘法器PFC方案。其优点是不受工作模式及原边电流起始值的影响，只需考虑最后的电流峰值是否跟踪输入电压。这是一种更为直接的控制，能够得到更高的PF 值。但这同时也增加了芯片设计者的设计难度，需要保证乘法器的宽广线性度和THD等指标，并且也增加了芯片面积。PT4209为了得到更好的系统性能，采 用了乘法器PFC方案。

表2：PF值。

为 了节省副边反馈网络和光耦等元件，在小功率应用场合，一般电路采用PSR(原边反馈)控制方式。该法适用于对输出精度、输入调整率、负载调整率要求不高， 负载不会突然变化的场合，并且该法在输入突变时也加快了系统的保护。LED驱动电源正好满足上面的应用条件。其副边电流反馈公式为：

 

表1：输入电压调整率及负载调整率。

 

芯 片采样Vcs和tdis/T两个信号，再将两个信号相乘和Vref相比较；两者的差值经过一个跨导放大器(gm)和Ccomp电容滤波，再将滤波的结果和 Vin的采样结果Vins一起送入到乘法器相乘；乘法器输出即为Vcs的给定信号，芯片以此来控制开关管的关断。其芯片内部的逻辑框图如图1所示。

图1：PT4209内部的逻辑框图。

在开关管关断后，为了最大限度减小开关损耗，希望在Vds最小时打开开关管。这就要求芯片有谷底检测的功能，即所谓的准谐振控制。其谐振周期由变压器原边电感Lp与MOS管输出电容Cd (或称Coss)共同决定，公式为：

系统参数及原理图

PT4209 的功率应用范围为5W~30W。以一款应用于PAR38灯具的16W驱动电源为例，系统的性能参数如下：输入电压85V~264V；输出电压 3.2V*16=51.2V(16个LED串联)；输出电流320mA；变压器骨架选择PQ2016，原边电感量选0.65mH，保证在264V高压输入 下，最高开关频率小于150kHz。系统原理图如图2所示。

图2：16W PAR38灯具电路原理图。

PF值的影响因素及提高手段

系统PF值的高低，主要与输入电流和输入电压的相角差和输入电流的THD两个因素有关。计算公式为：

其中：V1、I1为基波有效值；Vin、Iin为总的有效值。

其中：Ik为k次谐波的有效值。

故

首先，芯片控制的是输入峰值电流的正弦化，而PF计算的是平均电流的正弦化，这里相差一个占空比D。公式为：

其中：ton、Lp、Vr在一个周期内恒定，所以，并不是一个正弦，而是一个削顶的准正弦波形。这势必会影响一些PF值，这也就是峰值电流控制的芯片PF值始终不能达到1的根本原因。