基于PT4213/15的3-7W LED驱动器的应用解决方案
在全球节能环保的大趋势下，led照明由于具有高光效、高节能、长寿命、高可靠性等优点而广受关注。许多国家政府已出台相关政策推进led照明应用，例如，2011年，澳大利亚率先禁止使用白炽灯；欧盟各国、加拿大、日本等国将在2012年禁止使用白炽灯；中国政府在2011年将公布淘汰白炽灯的路线图。在自身优势和利好政策的双重驱动下，led灯具市场快速成长。目前，白炽灯的光效约为13 lm/w，普通40w白炽灯的光通量大约为500 lm。而现在已经商用的大功率led的光效在50-150 lm/w，功率为5w的led灯具的光通量约为500 lm。所以3-7w的led灯具适用于取代40-60w的白炽灯。
依据大功率led的v-i特性，3-7w的led灯具需要恒定的驱动电流来得到恒定的光通量。led驱动器成为led灯具的必备件。在光学、热学、机械工程、电力电子这四个专业领域，各厂商在led灯具行业形成很清晰的产业分工。这给传统的线性电源和开关电源厂商带来了转型升级的商业机遇。传统的线性电源和开关电源厂商开始转战led驱动器市场。led灯具的系统工程师为了增加led散热的表面积，在传统的gu10、par20的灯具外形表面开槽，并且槽的深度向本体下陷，给led驱动器留下一个狭小的空间。这给电力电子工程师带来了新的挑战，他们需要在面积仅为10*16 mm2 pcb中应对90-264vac宽电压输入范围、led恒流、原副边电气隔离并满足emi等多方面的挑战。
第一代驱动方案
华润矽威在2010年推出了第一代原边反馈离线式3-7w led驱动方案pt4203和pt4204。pt4203是原边反馈恒流控制器，适用于7w以下的led球泡灯或par灯。 pt4204是内置mosfet原边反馈恒流的稳流器，适用于3w的led灯杯。pt4203/04采用原边反馈控制led恒流，取消了传统的二次侧的电流反馈环中的器件如侦测电流的电阻，tl431和光耦。pt4203/04还采用了主mosfet源极驱动的架构，这样芯片的供电与变压器的辅助绕组无关。这样简化了芯片的供电和变压器的设计，并可以驱动串联不同led数目的灯串。图1为采用pt4204的典型应用电路。适用用于3w led灯杯。pt4204的外围零件的个数仅为6个，为业界最简化的方案。在90-264vac全电压输入范围，单片的电流精度为±3%。采用ee10压器，效率为72.5%。
图1：采用pt4204的典型应用电路
pt4203/04在2010年推出后，给电力电子工程师在狭小的空间设计驱动器带来了便利性。pt4203/04在业界被广泛的采用。虽然pt4203/4204单片电流精度可达到±3%，但因为模拟ic的工艺相对数字ic工艺的标准化的程度要差一些。pt4203/pt4204在客户端大批量生产时，不同的芯片之间的电流精度在±10%。led厂商普遍认为，光通量与led的正向电流成正比，利用相同的电流驱动所有led，那么每个led会产生相同的光通量。其实，这个结论不完全正确。因为光源led的一致性也是关键点。比如，经过分档后的led光通量的误差还有3.5%。输出的光通量流明和光照度勒克斯才是led灯具的重点。不过，电流的测量很容易实现，而光的测量则需要昂贵的仪器。所以led灯具厂商需要更高精度的led电流。
第二代驱动方案
2011年9月，华润矽威推出了单片电流精度为±1%第二代原边反馈离线式3-7w led驱动方案pt4213和pt4215。在大批量生产时，pt4213/15的电流的精度可达±3%。同时，为了提高效率，pt4213/15删去了控制主mosfet源极的内部低压mosfet，改为主mosfet的栅极驱动。芯片的供电也从主mosfet的源极改为从主变压器的辅助绕组。pt4213是原边反馈恒流控制器，适用于7w以下的led球泡灯或par灯；pt4215是内置mosfet原边反馈恒流的稳流器，适用于3w的led灯杯。
图2是采用pt4215的3w led灯杯的典型应用电路。驱动电路采用反激架构，工作在dcm模式。采用无光藕设计，方案简洁可靠，成本低廉。驱动电路能够接受85vac~265vac输入范围，输出电流300ma，驱动3颗1w led串联的灯串。
图2：采用pt4215的典型应用电路
pt4215采用脉冲频率调制（pfm）控制方式，通过改变开关频率实现led的恒流输出。ic通过cs管脚设定变压器初级侧峰值电流，通过fb脚检测输出电压，根据输出电压的大小产生相应的开关频率实现恒定电流输出。输出电流大小可表示为：
公式1
其中，nps为变压次初级与次级绕组比例，r5为采样电阻大小，η为转换效率。
图3是实测效率及调整率曲线图；110vac输入条件下，最高效率超过80%；在100-240vac的输入电压范围，led电流的变化只有1ma。图4是220vac输入条件下，驱动器的传导emi波形，该驱动器只采用了∏型滤波网络，初次级间未加y安规电容，emi轻松通过en55015b测试标准。图5是demo板layout图，变压器初次级间距离超过5mm，可通过3750v耐高压测试。
图3 pt4215效率及调整率特性曲线
图4 pt4215 3w emi@220vac
图5 pt4215 demo板顶层和底层
本文小结
本文介绍了华润矽威第一代和第二代原边反馈离线式3-7w led驱动方案pt4203/04和pt4213/15及其3w led灯杯的典型应用电路，并给出了实验数据及波形。基于pt4213/15的3-7w的led驱动器以其宽电压输入范围内，单片±1%恒流精度和高达80%转换效率将成为led灯具厂商的理想解决方案。
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