具有 TRIAC 亮度调节功能的 7W 单级 PFC LED 照明设计

摘要

本报告介绍了具有TRIAC亮度调节功能的7W AC/DC LED照明驱动器的参考设计。该解决方案采用具有一次侧恒定功率控制的单级功率因数校正（PFC）反相拓扑。文章为您介绍功率转换器的完整分析与设计。最后，我们还为您提供了基于7W应用获得的实验结果。对该设计进行简单修改，便可适用于其他应用。

引言

本PMP4304A参考设计是一款使用TI TPS92210 LED照明功率控制器的TRIAC亮度调节单级功率因数校正LED驱动器。本LED应用主要针对PAR灯泡更换，其拥有小体积、低成本、高PF和高TRIAC亮度调节性能。

该解决方案采用带有一次侧恒定功率控制的单级功率因数校正（PFC）反相转换器。它在没有光耦合器的情况下，在单级反相拓扑中实现了一次侧恒定功率控制。这种驱动器可使用高线压AC或者低线压AC工作。输出可提供350mA的恒定电流，以驱动6支串联LED。

工作原理

2．1 功率因数校正单级反相转换器

这种单级功率因数校正转换器采用隔离式反相AC/DC拓扑，它把AC输入线压整流为输入正弦电流的DC输出。单级反相拓扑被广泛用作隔离式LED解决方案，因为它拥有非常低的BOM成本和高效率。

图1 单级反相转换器

传统的单级反相解决方案均采用转换模式来按时调节常量，以实现PFC功能。但是，转换模式的反相拓扑并非为自然PFC，因为占空比和频率经常变化。因此，PF和THD在这种条件下的准确性并不高。

但是，一次侧恒定功率单级反相是一种自然PFC。

首先，输入电压可设置为：



那么，利用方程式2可计算出平均输入电流。



通过方程式1和2，输入功率计算如下：



在一次侧，恒定功率方案为：



在方程式4中，K为常量，K的值取决于系统总功率。

当V_in的RMS变化时，占空比反向变化。当V_in的RMS受限时，占空比不再变化。因此，当系统稳定时，占空时间和占空度恒定。

与此同时，为了保持恒定功率，系统保持在相同的开关频率下。

由于T_on、L、f和V_in均为常量，因此输入电流为方程式2的自然正弦。
另一方面，输入功率也为方程式3的常量。

总之，我们可以看到，在这种应用中，相比传统的方案，一次侧恒定功率单级方案拥有一定的优势。首先，一次侧恒定功率方案是一种自然的PFC，其PF和THD均优于传统方案。其次，顾名思义，一次侧恒定功率方案仅受一次侧控制。因此，可以把光耦合器排除在外，从而达到低成本BOM。

2.2 TPS92210控制器和系统运行

就TPS92210控制器而言，有一个OTM引脚，其可以通过连接它的电阻器来控制T_on时间；详情如下：



为了实现一次侧恒定功率控制，我们使用下列电路，如图2所示。

图2 一次侧恒定功率控制的前馈电路

假设Vin_rms = x，Ton和Vin_rms之间的关系可计算如下：



该公式可简写为方程式7：



为了满足一次侧恒定功率控制的要求( Vrms *Ton = K)，选择B=0。同时，可根据输入功率选择A和C。

图3为7W举例计算以后的模拟结果。输入电压变高时Ton时间变小。与此同时，输入功率必须保持恒定。

图3 T_on时间vs Vin_rms和输入功率 vs Vin_rms

3 7W离线恒定功率LED照明驱动器设计

3.1 设计规范

表1 电气设计规范

规范项目	最小值	典型值	最大值
输入AC 电压	180Vac	220Aac	265Vac
输出电流容限	347mA	356mA	372mA
LED 数量		6
功率因数	0.975	0.944	0.902
无 TRIAC 调节的效率	80.90%	81.50%	81.20%

 

 

 

 

 

3.2 原理图

图4 PMP4304A原理图

3.3 PCB布局

图5 电路板组装图—层1


图6 电路板组装图—层2

3.4 效率

图 7 效率与输入电压的关系

3.5 线压调节

图 8 输出电流与输入电压

3.6 功率因数

图 9 功率因数与输入电压的关系

3.7  TRIAC亮度调节性能

表2 不同亮度调节器导通角的输出电流


图10 输出电流与亮度调节器导通角的关系





图 11 不同导通角的输入电流与输入电压

4  结论

本文分析了一次侧恒定功率控制单级反相LED驱动器，并介绍了使用基于TPS92210的一次侧控制的优势。同时，我们还实施了一款实际的7W设计。它体现了TPS92210解决方案的诸多好处，如小外形尺寸、低成本、高PF和高TRIAC亮度调节性能。

参考文献
1、《TPS92210产品说明书》，LED照明功率控制器