无辅助绕组的原边控制LED恒流驱动电路设计

　　1   引  言
　　LED（Light Emitting Diode）照明作为一种节能高效、绿色环保的照明技术，在室内外照明、交通信号灯、汽车照明、背光显示等领域[1]的应用日益广泛。因此，研究高效能的LED驱动技术具有深远的经济价值与社会意义。
　　由于LED需要恒流源供电，市电需要经过一个驱动器将高压交流电转换为低压恒流源供LED使用。近年来，各大芯片厂商陆续推出用于LED驱动的反激式拓扑的原边控制（Primary Side Regulation，PSR）芯片，省去了变压器副边用于反馈的光耦，体积缩小，成本降低[2]，从而使得反激式电路在LED驱动领域的应用范围大大增加。
　　文献[3]介绍了一种传统的原边控制反激式LED恒流驱动器，其中变压器具有三个绕组，分别为原边绕组、副边绕组和辅助绕组。辅助绕组用于将变压器退磁信号反馈给芯片，实现恒流控制。本文提出一种特殊的恒流控制方式，从而无需辅助绕组的反馈作用，进一步缩小了系统体积，降低了整个驱动器的成本。
　　文章第2节主要介绍无辅助绕组的原边控制LED恒流驱动电路的整体结构
　　2   LED恒流驱动电路的整体结构与恒流原理
　　2.1   整体结构
　　本文介绍的LED恒流驱动电路的整体结构如图1所示。输入电容C1对外部输入电压进行滤波，同时也起到降低EMI的作用。系统输入电压通过启动电阻R1和储能电容C2给VCC供电。由于整个电路的工作电压极低，所以无需辅助绕组的额外供电。15V的LDMOS对650V的VDMOS进行源极驱动，两个开关管同步开启和关断。开关管开启后，采样电阻Rcs采样原边绕组电流，当其两端电压达到检测阈值时，CS信号将开关管关闭。
　　根据楞次定律，Np和Ns上的电压反向，续流二极管D5正向导通，原边储存的能量传递给副边，通过副边向输出电容C3充电，向负载LEDs提供能量。当副边绕组电流降到0后，OUT引脚出现谐振，通过零电流检测比较器ZCD将功率开关管再次开启。由于电路设计在DCM模式，所以电流降到0后还有一段死区时间，负载靠输出电容上的储能工作。
　　图1  LED恒流驱动电路的整体结构

　　2.2   恒流原理
　　输出电流与副边电感电流有直接关系，是副边电感电流的平均值：

　　（1）
　　其中RCS为采样电阻阻值，Vref为内部基准电压，NP为原边匝数，NS为副边匝数，Tdemag为副边退磁时间，T为功率管开关周期。从式（1）中可以看出，如果外围确定，则RCS、NP、NS都确定，本设计通过恒流控制模块，保证Tdemag/T=1/2，从而实现输出恒流。
　　恒流控制模块原理图如图2所示。CS比较的输出高电平控制电容C的放电，ZCD比较器的输出高电平控制电容C的充电，电流源与电流沉保证电容C的充放电斜率相等。当电容上的电压达到Vref2时，功率开关管开启，当采样电阻RCS上的电压达到Vref时，功率开关管关闭。图3为电容C上的电压波形，可以看出Tdemag=Ton+Tdead，从而实现Tdemag/T=1/2。

　　　根据前面描述的控制方法，设计了LED恒流驱动电路。下面给出LED恒流驱动电路的测试结果，主要考察不同输入和输出条件下，其恒流和转换效率。
　　以3W的应用为例，具体应用图见图4，其测试结果见表1和表2。可以看出，恒流小于5%，转换效率不低于70%，基本达到设计要求。

　　　4   结 论
　　设计了一款无辅助绕组的原边控制反激式LED恒流驱动器。介绍了整体结构和特殊的恒流控制方式，无需变压器辅助绕组的反馈和供电，降低了外围电路的复杂程度，缩小了系统的体积，节省了整个驱动器的成本。在全电压工作范围内，满足线性调整率小于5%的恒流要求，满足负载调整率小于5%的恒流要求。该LED恒流驱动器应用于交流输入、小功率隔离型LED照明。
　　参 考 文 献：
　　[1]  卜登立. 多路模拟开关CD4067在LED点阵显示屏中的应用[J]. 微电子学与计算机, 2006, 23（8）: 53-54.
　　[2]  Suetomi，Kuriaki，Wengzong Lin. A novel output voltage regulation strategy for primary side of flyback converter[C] // Telecommunications Energy Conference. Amsterdam, 2011: 1-4.
　　[3]  谌敏飞，洪志良. 一种原边控制的小功率反激式LED恒流驱动电路[J]. 微电子学, 2015.6, 45（3）:298-302.
　　作者简介：
　　石磊（1972-），石磊，男，江苏南通人，江苏省期科技企业家，南通富士通微电子股份有限公司总裁，博士就读于复旦大学研究方向为微电子学与固体电子学。
　　黄少卿（1989— ），男（汉族），江苏无锡人，硕士，方向为数模混合集成电路与集成系统设计。