非隔离降压恒流LED驱动电源控制设计

1 引言

针对LED照明负载特点，目前非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是BUCK降压结构，主流的方案是通过固定关断时间来固定峰值电流，从而达到固定输出电流的控制策略。本文将讨论这种控制策略实现恒流的原理，分析这种开环控制策略的优缺点，和应用这种控制策略需要做的外围补偿，同时基于占空比半导体公司新产品DU8608芯片，介绍这种全新的闭环电流控制策略，详细介绍这种控制策略如何突破性提高LED输出电流精度，从开环到闭环是其本质的突破。

2 原理与设计

2.1 目前LED非隔离恒流驱动电流领域主流的控制策略

如图1所示，电路是BUCK降压结构，芯片控制的是MOSFET的源极，这是一种开环的恒流电流控制方式，控制原理如下：

当MOSFET开通时，电流从DCBUS通过LED负载，流过电感，流入地。

Vi-Vo=Ldi/dt=L*Ir/DT （1）

当MOSFET关断时，电感电流从D1续流。得出以下公式：

Vo=Ldi/dt=L*Ir/（1-D）T （2）

如图2 ，Io（average）=Ipk-1/2*Ir （3）

由（2）和（3）

Io=Vref/Rs-Vo*（1-D）T/（2*L） （4）

Vref和Rcs都是设定的定值，由于电流流过LED负载，如果电流固定，可以认为LED的电压Vo是固定的，所以从式（4）看出，只要电感值L固定，再固定关断时间（1-D）T， Io即固定。

图1：非隔离降压恒流LED驱动电源示意图

图2：开环控制策略中的电感电流波形

所以，这种开环的控制策略是，连接在Rt的电阻设定MOSFET的关断时间。每个周期开始，MOSFET 打开直到电感电流上升到峰值Vref/Rs，这时MOSFET 关断，关断时间由Rt决定。过了设定的关断时间，MOSFET 又重新打开，这样周而复始地工作。关断时间控制了纹波电流LED 平均电流，根据想要输出的电流值，调节CS管脚的Rs值，调节Rt值，固定每个开关周期的关断时间为一个值，从而实现了输出电流恒流。

这是一种简单有效的控制策略，但是由于这是一种开环控制模式，只能检测电感上的峰值电流，无法检测输出电流，输出电流精度在三种情况下容易出现偏差：

1. 输入电压波动。（开环控制，无法反馈，系统延时造成）

2. 批量生产电感感值偏差。（式4中，L变化引起Io变化）

3. LED负载电压不相同（Vo）

对于第1种偏差，只能采取电压补偿的办法，即检测输入电压，根据输入电压调整内部CS参考电平值，但是效果一般，对于第2种和第3种偏差，比较难解决。

一种全新的全闭环控制策略可以完全避免上述几种偏差，从根本上实现真正的LED恒流。

2.2 DU8608 如何实现真正全闭环的恒流控制

图3：全闭环非隔离降压恒流LED驱动电源示意图

所谓的闭环，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出PWM信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出PWM信号的参考。从电路拓扑上，二者没有区别。但是在芯片内部对检测到的如图3 CS脚电感电流信号，做专利技术处理，如图4 TRUEC2部分。这样，就检测到了电感电流的平均值，也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。这种控制结构，同时使得线路极为简单，图3和图1相比，省去了开环控制所需的输入电压补偿线路，省却了控制固定关断时间所需的Rt 电阻。值得一提的是，由于闭环控制电流，相比于开环方式，此线路具有电感短路保护功能，同时具备Rcs采样电阻的开路、短路保护功能。这在生产应用中是非常重要的，这相当于大大降低了系统发生故障的风险。使得这种方案不仅在性能上有了质的飞跃，在可靠性上也大大提高。

图4:DU8608内部功能图

图5:TRUEC2部分工作示意

3 实验验证

我们选择了一个典型LED日光灯应用来做IC功能验证，基本电参数要求如下：

输入电压范围：180~305VAC/50Hz 功率因数： 》0.9 效率：》90%

输出电压范围：3~80VDC 输出电流：240mA

图6:DU8608日光灯应用原理图

对于输入电压、负载LED变化情况下，我们测试得到如下交叉调整率结果：

图7：系统线性调整率（电流表误差范围内，视作恒定不变）

图8：系统负载调整率

图7、8可以看到，由于闭环控制，在设计的正常工作范围内，输出电流维持定值，单颗系统可以认为是恒定的输出电流，即线性理论值是0，负载调整率为±0.5%。量产时，由于参数一致性分布，大量数据表明，恒流精度小于±0.9%。

对于输出电感变化，我们测试到如下结果：

图9：输出电流精度vs.电感量变化（闭环控制与开环控制的区别）

图9反映的是电感大范围变化（设计标称值1.5mH）时，输出电流的变化，如左图。如果这种测试用于目前市场上开环系统芯片，按照前文推导结果公式（4），电流会出现线性的大范围波动，如右图。而DU8608 闭环的方式，使得输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。

图10:LISN测试结果

图11:CDN测试结果

前文所提到的开环方式的三种引起电流变化的情况，都从原理上得到根本解决：

1．输入电压波动。（逐周期闭环控制，立刻响应，不会引起输出电流变化）

2．批量生产电感感值偏差。（电感值不敏感，甚至电感短路保护）

3. LED负载电压不相同，输出不变。这一特点对电源厂生产有很大意义，因为这意味着串联不同数目的灯珠负载，可以用同一套电源设计，这就减少了备料，降低了成本。

4 结论

全闭环控制，检测输出电流，来发出PWM信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。实验表明，相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9%， 同时，由于闭环控制，线路具备了电感短路、电流检测电阻短路/开路保护功能，相比与开环方案，电路可靠性有了很大提高，并且使多套灯负载可以用一套电源，在生产中有显著价值。
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