基于AC/DC数字电源控制器IW1810的LED驱动电路设计*

徐　晶,付贤松,牛萍娟

(1.天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387;2.天津工业大学电气工程与自动化学院,天津 300387;3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室,天津 300387)



基于AC/DC数字电源控制器IW1810的LED驱动电路设计*

徐晶1,3,付贤松2,3,4*,牛萍娟2,3,4

(1.天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387;2.天津工业大学电气工程与自动化学院,天津 300387;3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心,天津 300387;4.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室,天津 300387)

摘要:IW1810集成了一个64 kHz的PWM控制器和一个800 V的BJT,该芯片采用数控技术,工作在准谐振模式,提供过流和输出过压保护,简化外围元件确保电路的高效性,无载功率小于100 mW。设计一款基于IW1810高度集成、高效恒流的AC/DC LED驱动电路,电路工作在90 V到264 V的宽电压范围内,输出恒流340 mA,输出功率为4 W,效率高达80%以上,电路板面积仅为18 mm×38 mm。

关键词:LED驱动;IW1810;准谐振模式;效率

IW1810是一款高性能的AC/DC电源控制设备,内部的功率双极晶体管BJT,使得外部元器件的数量达到最少,简化了EMI设计,降低了总体的物料成本。IW1810消除了次级反馈电路的需要,同时实现了极好的线性和负载调节,在保持以上所有工作条件稳定的前提下,也消除了环路补偿[1]元件的需求。该芯片的逐脉冲波形分析技术[2]使得环路响应比传统的方案要快,从而使动态负载响应得到提高,内置的功率限制功能使得在通用离线应用中的变压器得到优化,而且满足了宽范围的输入电压的要求。LED驱动电源的小体积、轻量化、便携性和高效性已经成为了当今的发展趋势,适应需求设计高集成度、高效率的LED驱动电路具有重要的意义。

1　IW1810的主要功能

IW1810是一款内部集成了功率双极管的数字控制器,IW1810的原理框图如图1所示。它采用一种专有的初级侧控制技术,来消除传统设计中的光电隔离反馈电路和次级调节电路的需求。这就使得为低功耗AC/DC适配器提供了低成本的解决方案。核心的PWM处理器使用固定频率连续导通模式(DCM)使其工作在高功率水平,在小负载条件下切换到变频工作模式使得频率最大化。此外,IWatt数字控制技术使得动态响应更快,输出调节更紧密,并且具有初级侧全功能电路的保护。

图1　IW1810的原理框图

1.1内置双极晶体管

IW1810的设计中一个最大的亮点就在于内置800 V的功率双极晶体管BJT,一方面,内部800 V的功率晶体管能够胜任宽范围高浪涌脉冲工业应用领域,MOSFET相比,通过柔性的开关转换速率减少了电磁干扰的产生。另一方面,内置的双极晶体管减少了外围元器件的数量以及面积[3],使得电路更加简单,体积更加轻便,更适合于小型设备的使用。

1.2初级侧反馈的工作原理

图2为反激式变换器[4]工作原理的简图。当功率双极管Q1工作在ton(t)导通时间内时,整流输出的交流市电电压Vg(t)流过功率双极晶体管Q1,电流为ig(t),电能变为磁能存储于开关变压器初级绕组LM中,这时,二极管D1反偏,负载电流由次级侧电容CO上的电压提供,当功率双极晶体管Q1关断时,二极管D1导通,存储于开关变压器初级绕组LM中的电能被释放到输出负载。

图2　反激式变换器工作原理图

为了确保能很好地调节输出电压,需精确地检测输出电压和输出电流,对工作于电流不连续导通(DCM)工作模式的反激变换器,输出电压和输出电流的信息可以通过辅助绕组或反激开关变压器的初级磁化电感(LM)绕组获得,在功率双极晶体管Q1导通工作期间,负载电流由输出滤波电容CO提供,初级磁化电感(LM)绕组上的电压为vg(t),假设功率双极晶体管Q1导通工作期间上的电压降为0,通过功率双极晶体管Q1的线性电流上升斜率可利用式(1)计算:

(1)

在功率双极晶体管Q1导通工作结束期间的电流峰值可以利用式(2)计算:

(2)

储存在初级磁化电感(LM)绕组上的电能可以利用式(3)计算:

(3)

在功率双极晶体管Q1关断工作期间,初级磁化电感(LM)绕组上的电流ig(t)迫使初级磁化电感(LM)绕组上的电压极性反相,如果忽略由于开关变压器漏感LK在关断瞬间而引起的交叠时间,次级负载电流峰值可以利用式(4)计算:

(4)

辅助绕组上的电压可以利用式(5)计算:

(5)

1.3多模式PWM/PFM控制

IW1810使用专有的自适应多模式PWM/PFM控制,大幅度提高轻负载效率,从而提高了整体平均效率。大负载和恒定电压的条件下,IW1810通常工作在脉冲宽度调制(PWM)的模式下。在PWM模式下,开关频率保持在恒定值。随着输出负载电流IOUT减少,开启时间ton也在减小,控制器自动转换到脉冲频率调制(PFM)模式。在PFM模式下,在给定的瞬时整流AC输入电压下双极晶体管的开启时间设置在一个持续的时间,但是他的关断时间是通过负载电流进行调试的。随着负载电流的减少,关断时间增加,开关频率减少。

随着负载电流进一步降低,IW1810转换到深PFM模式(DPFM),这样使得开关频率减少到一个很低的水平。

1.4动态基极电流的控制

IW1810的一个重要特点是,它直接驱动动态基极电流控制内部BJT开关设备,以优化性能。BJT的基极电流[5]范围从10 mA到31 mA,根据供电负荷的变化来动态控制。输出功率越高,基极电流越大。

1.5内置环路补偿设计

IW1810采用内部的数字误差放大器没有外部环路补偿的要求。对于一个典型的电源设计,保证提供至少45°的相位裕度和-20 dB的增益裕度的环路稳定性[6]。

2　基于IW1810的LED开关电源设计

驱动电源是LED的动力之源,由于LED发光的非线性和对温度的敏感性[7],采用恒流驱动[8]已逐渐形成共识。本文根据IW1810芯片的功能以及特点,设计了一款LED开关电源,电源整体设计电路如图3所示。

图3　基于IW1810的3 W LED驱动电路

2.1设计要求

此次设计LED开关电源的要求为:电源输入交流电压范围为90 V～264 V,电源负载为4颗1 W的LED灯,开关电源可以恒定输出340 mA的电流,输出功率为4 W,电源效率[9]可达80%。根据设计要求,本设计的LED驱动电源PCB板的实物图如图4所示。此开关电源的面积仅为18 mm×38 mm,十分小巧轻便。

图4　LED驱动电源实物图

2.2测试结果

为了检测本次所设计的LED开关电源是否达到设计要求,对该电路进行如下测试。输入交流电压范围在90 V到264 V之间进行变换,分别在90 V、170 V、220 V、240 V和264 V的交流电压下测试该电源性能。测试数据记录表格如表1所示。电源经检测在宽范围输入电压下均可以驱动4颗1 W的LED。在交流220 V的电压下,输出电压为12.3 V,如图5所示。本电路进行了优化设计,输出电流为340 mA,存在很小的纹波电流,测试结果如图6所示。

表1　不同交流输入电压下的测试结果(测试负载为4颗1 W LED)

图5　驱动4颗LED的开关电源

图6　开关电源的电流波形测试图

3　结论

本文基于IW1810芯片的特点及功能设计了一款具有稳定输出电流的开关电源,充分利用了IW1810内置双极晶体管的优点,所设计的开关电源的尺寸仅为18 mm×38 mm,十分适合便携式电子设备的使用。其宽输入交流电压范围从90 V到264 V,使其适用的范围更广泛,经测试,可以稳定的输出340 mA的电流,输出电压为12.3 V,输出功率为4 W,同时驱动4个1 W的LED灯稳定工作,电源转换效率可达80%。

参考文献:

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[3]Gu Linlin,Ruan Xinbo,Xu Ming,et al.Means of Eliminating Electrolytic Capacitor in AC/DC Power Supplies for LED Lightings[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(5):1399-1408.

[4]胡江毅.反激变换器的应用研究[D].南京:南京航天航空大学,2003.

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[7]李渊.LED可调光自动控制系统设计[J].液晶与显示,2011,26(1):96-99.

[8]Pressman Abraham I.开关电源设计[M].北京:电子工业出版社,2006：90-98.

[9]江磊,江程.LED恒流驱动电路效率研究[J].光源与照明,2008(1):6-8.

徐晶(1989-),女,天津人,硕士研究生,研究方向为开关电源设计与开发,15822864379@163.com;

付贤松(1976-),男,汉族,浙江平阳人,天津工业大学,副教授,博士学位,主要研究方向为数模混合集成电路设计,大功率白光LED驱动芯片及驱动电源设计,fuxians@163.com。

BasedontheAC/DCDigitalPowerSupplyControllerIW1810LEDDriverDesign*

XUJing1,3,FUXiansong2,3,4*,NIUPingjuan2,3,4

(1.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;3.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System,Ministry of Education,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;4.Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin 300387,China)

Abstract:The IW1810 incorporates a 64 kHz controller and a 800 V BJT.The device uses the numerical control technology and operates in quasi-resonant mode to provide current and output overvoltage protection,while minimizing the external component count and ensuring the high efficiency,no load power is less than 100 mW.Based on IW1810 designed a highly integrated,high efficient and constant current AC/DC LED driver circuit was designed.The circuit operates at 90 V to 264 V wide voltage range,output current is 340 mA,output power is 4 W,efficiency up to 80%,the area of the designed source is only 18 mm×38 mm.

Key words:LED Driver;IW1810;quasi-resonant mode;efficiency

doi:EEACC:4260D;121010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.015

中图分类号:TN86

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0650-04

收稿日期:2013-07-19修改日期:2013-09-08

项目来源:国家科技支撑计划课题项目(2011BAE01B01);国家863计划项目(2010AA03A1A7)