LM3444/LM3445 非隔离式LED照明应用改进型线性稳压解决方案

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摘要
        本文基于LM3445的传统非隔离式解决方案，详细说明其工作原理。我们将对这种线性稳压公式进行推导和分析。通过实际实验结果对计算结果进行验证，并证明其能够非常紧密地匹配。为了评估大批量生产的可行性，我们对输出电流容限进行了彻底的研究和分析。结果证明，传统解决方案难以达到全部批量生产电流容限，特别是在当前市场所要求的更高输出应用的发展趋势下更是如此。
         
        为了解决这个问题，我们建议使用一个简易线性稳压补偿电路。我们从理论计算和实验测量结果两个方面，对这种建议解决方案进行了验证。根据推导的输出电流和线性稳压速率公式，对实际批量生产所要求的最终总电流容限进行分析。根据所得结果，我们发现，在达到这种实际要求方面，实现了巨大的进步。最后，基于样机对测试结果和计算结果进行比较；经证明，它们非常匹配。
         
        1、 引言
       
        随着LED室内照明的日益增长，非隔离式方案和隔离式方案都变得越来越流行。特别是，高线性稳压的高PF和精确恒定电流模式方案成为市场的主导方案。但是，由于输出电压变得更高更宽，传统LM3444/L3445非隔离式应用无法达到这种宽余量要求，从而进一步限制了LM3445/LM3445的应用。
         
        鉴于上述问题，本文的主要目标在于精确线性稳压要求的高输出应用。在本文中，通过第2章的一些公式，阐述一般工作原理。利用这些公式，我们可以求解最终输出电流。为了对结果进行评估，第3章介绍了一个统一公式，通过它输出电流得到简化。另外，第3章还进一步详细说明了电流容限分析。第4章给出了一些基于样机的设计例子。文章给出了计算结果和仿真结果，并把它们与实验结果进行比较。经证明，它们的匹配非常好。但是，深入研究后，我们发现仍然很难达到批量生产的电流容限要求。
         
        为了解决这个问题，我们在第5章提出了一个建议补偿电路。通过计算和仿真实验，对这个补偿电路进行了验证。最终，实验证明，该电路明显改善了线性稳压和电流容限性能。利用这种电路，得到改进的线性稳压将在实际应用具备更强的竞争力，特别是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明应用中。
         
        2、 传统非隔离式LM3444/LM3445解决方案的原理
       
        图1显示了更高PF的传统非隔离式解决方案。为了方便讲解其工作原理，我们给参数做如下定义：
        •Vout：LED输出电压
        •I：单时间段内等效时间值
        •Kfeed：输入AC电压的前馈系数
        •Rs：电流检测电阻器
        •Rup：toff充电电阻器
        •Cchar：toff充电电容器
        •Vinmin：AC输入电压最小值
        •Vinmax：AC输入电压最大值
        •Vinac：AC输入电压
        •_noimp：无改进线性稳压电路函数
        •_imp：改进线性稳压电路函数
         

       
        图1 高PF的传统建议非隔离式解决方案

         
        这是一种典型的无反馈环路应用，但是它具有下列特性：
        1、 更高的PF。通过输入前馈电路实现。
        2、 恒定电流。这是通过LED输出电压检测toff电路实现。
       
        AC输入电压可表示如下：
       
       
        如图1所示，C1大于C2，目的是实现更高的PF值，例如：C1/C2 = 220n/10n。LM3444或者LM3445的针脚5的电压可以表示为：
       
       
        toff的充电电流为：
       
        进行实际计算时，Veb_Q1可选择0.6作为参考设计。
       
        因此，toff可写为：
       
       
        频率可以表示为：
       
       
        电感器的纹波电流为：
       
       
        因此，最大电流和平均电感电流公式可写为：
       
       
        那么，LED输出电流为：
       
       
        3、 基于传统解决方案的LED电流线性稳压分析
       
        由于LED电流已在上面做了推导，因此我们可以把总公式写为：
       
       
        为了推导每个输入电压的LED电流变化，可对公式（10）进行简化，因为Vout一般小于Vinac，并且Vout大于Vbe_Q2。公式可简化为：
       
         
        那么，整个输入范围内的LED电流变化可利用公式（11）推导出。
       
        我们可以看到，LED电流变化严重依赖于Vout，其意味着当LED电压较低时它可以使用更高的线性稳压，在这种情况下，其非常适合于GU10应用。
         
        3.1 批量生产期间Δ LED电流变化分析
       
        公式（11）推导出LED电流变化，但是这种变化在整个输入范围受Rs、L、Cchar和Rup容限的影响。根据批量生产要求，我们对其进行如下分析：
       
        1、 批量生产时Δ LED电流变化受Rs（例如：2%容限）影响如下：
         
       
        2、批量生产时Δ LED电流变化受Rup（例如：2%容限）影响如下：
         
       
        3、批量生产时Δ LED电流变化受Cchar（例如：10%容限）影响如下：
         
       
        4、批量生产时Δ LED电流变化受L（例如：16%容限）影响如下：
         
       
        5、批量生产时某个Vled下的Δ LED电流变化极端情况如下：
         
       
        正常情况下，相比LED电流变化，这种总变化非常小。
         
        3.2 批量生产期间的LED电流容限分析
       
        在批量生产中，LED电流受到规定。正常情况下，要求它在±5%范围内，其在整个输入范围与Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限无关。
         
        由公式（9），我们知道，LED电流变化受到这些参数的影响。下面是详细分析。
       
        1、批量生产时LED电流变化受Rs（例如：2%容限）影响情况如下：
         
       
        2、批量生产时LED电流变化受Rup（例如：2%容限）影响情况如下：
         
       
        3、批量生产时LED电流变化受Cchar（例如：10%容限）影响情况如下：
         
       
        4、批量生产时总LED电流变化受L（例如：16%容限）影响情况如下：
         
       
        5、批量生产时总LED电流变化受kfeed（例如：2%容限）影响情况如下：
         
       
        6、批量生产时某个Vled下的极端LED电流变化如下：
       
       
        那么，按照批量生产要求总LED电流容限可表示为：
         
       
        4 基于传统解决方案的线性稳压与批量生产电流容限设计举例证明
       
        为了验证上面推导计算结果的有效性，我们按照表1所列参数制作一个样机。
       
        表1 样机参数
       
        利用第2章的公式（5），得到图2所示频率曲线图：
         

       
        图2 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案频率

         
        利用第2章的公式（7）和（8），得到电感器的最大电流和平均电流（参见图3）：
         

       
        图3 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案输出电流

         

         

        图4和图5显示了小于90Vac和140Vac的仿真和实验结果。

         

       
        图4 90Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果
       
        图5 90Vac以下电感电流和输出电流的测试结果

         

        测量和仿真得电流波形（参见图4和图5）几乎完全一样；输出纹波表明存在一些小的差异，原因是LED仿真模型和实际测试LED负载之间有差异。

       
       
        图6 140Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果
       
        图7 140Vac以下电感电流和输出电流的测试结果

         

        从图6和图7所示结果来看，计算结果好像密切匹配仿真结果与实际测量结果。这个结果为后面的容限分析提供了有力的理论支撑。
         

        利用第2章的公式9，计算出标准输出电流；得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的最大和最小输出电流：
       
       
        图8 90Vac和140 Vac以下无改进解决方案的输出电流

         

        利用3.2小节的公式（23），得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的极端LED电流变化。

       
       
        图9 90Vac到140Vac以下无改进解决方案组件容限对LED输出电流变化的影响情况

         

        利用3.2小节的公式（24），得到批量生产期间的总LED电流容限（参见图10）：

       
       
        图10 批量生产时90Vac到140Vac以下无改进解决方案的总LED电流容限

         

        从公式（24），我们可以看到，90Vac到140Vac以上的正常LED电流变化为17mA，线性稳压为± 3.3%，这对单个组件而言是可以接受的。但是，实际工程的主要问题是总调节可行性，也即考虑组件容限情况下的总LED电流容限。由图8，我们知道，受组件容限影响的输出电流变化约为32mA。因此，批量生产时的总LED电流容限为± 8%以上，如图10所示。在实际生产过程中，这同样很难实现。从上述分析我们可以知道，线性稳压是改善输入范围总容限的关键。
         
        5  改进型非隔离式LM3444/LM3445解决方案工作原理
       
        为了改善线性稳压，我们建议使用图11所示线压补偿。
         

       
        图11 改进型线压补偿电路

       
        为了降低图11所示电路的闩锁电流容限，可使用更高精度的电阻器R21、R23和R1_comp。为了减少D11、Q3和Q4的正向电压影响，我们建议C7电压稍高一些（例如：20Vdc）。为了知道不同温度下的电流容限，规定V_C7为20V，Q4的V_c为20V，而R_comp为300K，然后进行SPICE温度扫描仿真。结果如图12所示。
         

       
        图12 0°C、25 °C、50 °C和85 °C以下温度扫描仿真结果

         
        由该结果，我们知道温度容限为±3%，因此可以进入实际设计。
       
        在安装补偿电路（参见图11）以后，经过改善的toff的充电电流为：
       
       
        为了减少Q3和Q4的Vbe的影响（如图11所示），我们建议，公式（27）的系数k尽可能地大，这样我们便可在设计中忽略Vbe。
         
        最大电流和平均电感电流公式与第2章中的公式（7）和公式（8）一样。最终LED电流公式如下：
       
        如果不考虑其他组件容限，则输出LED电流的标准化公式可以写为：
       
       
       
        在实际计算过程中，我们可以做如下规定：0.95Char、0.99Rs、0.99Rup、1.08L和0.99 kfeed，以便得到最大LED输出电流。该计算公式如下：
       
       
       
        利用相同的分析，我们可以做如下规定：1.05 Char、1.01Rs、1.01 Rup、0.92 L和1.01 kfeed，以便得到最小LED输出电流。该计算公式如下：
       
       
        那么，我们可以得到下列频率范围和电感电流波形相关计算方法。
         

       
        图13 90Vac和140Vac以下频率

       
        图14 90Vac和140Vac以下电感电流

       
        图15和图16显示了90Vac和140Vac以下实验结果

       
       

        图15 90Vac以下电感电流和输出电流测试结果

       

        图16 140Vac以下电感电流和输出电流测试结果

         

        图17显示了线性稳压计算结果：
         

       

        图17 线性稳压计算改善至±1%以下

         

        输出电流为一条输入电压的非线性曲线，而非线性曲线。补偿参数极大影响这条曲线。在实际设计中，工程师可以通过调整线压补偿参数来对这条曲线进行优化。
       
        为了验证该结果，使用图18所示测量结果与计算结果比较。

       
       
        图18 极端电流容限计算改善至±6.6%

         

        由图18，我们可以知道，由于使用了改进线性稳压电路，极端电流容限也得到了改善。为了达到这种非常严苛的极端电流容限，我们的解决方案必须进一步改进，以适应一些特殊用户的要求。
       
        如果考虑90Vac以下的电流容限，则可得到：
       
       
        如果90Vac以上的容限基本相同则可以达到这个目标；因此，图19给出了一种备选建议方法。

       
        图19 120Vac到140Vac以下线性稳压改善电路

         

        LM3445/LM3444的针脚5电压计算方法如图20和图21所示：
         

       
        图20 添加图20电路时的LM3445/LM3444针脚5电压

       

        图21 使用图19电路后线性稳压得到较大改善

         

        通过前面的分析，我们可以得出结论：这种电路可帮助改善线性稳压。但是，如果使用线压补偿电路的电流容限可达到批量生产要求，则不能使用这种附加二极管电路。但是，如果PCB布局有多余空间，则TI仍然推荐在实际设计中使用这种附加二极管电路。
         
        最后，图22显示了备选方法的完整改善解决方案。

       
       
        图22 大幅改善线性稳压的备选方法完整解决方案

       
        结论
        本文基于传统非隔离式LM3444/LM3445，彻底分析了输出电流线性稳压和电流容限。结果是线性稳压并不理想。为了解决这个问题，我们提出了一种改进解决方案。另外，我们还阐述了线性稳压和总电流容限。我们通过理论分析和实际实验，证明了这种解决方案的可行性。
         
        参考文献
        （1）《LM3445三端双向可控硅开关组件亮度可调离线式LED驱动器》，文章编号：SNVS570K。
        （2）《230VAC、6W-15W隔离式反激LED驱动器》，见于《应用手册2069 LM3445》
        （3）《120VAC、8W隔离式反激LED驱动器（修订版B）》，见于《应用手册2034 LM3445》
        （4）《120VAC、8W隔离式反激LED驱动器（修订版B）》，负于《应用手册2082 LM3444》