LM3444/LM3445 非隔離式LED照明應用改進型線性穩壓解決方案

　　摘要

　　本文基于LM3445的傳統非隔離式解決方案，詳細說明其工作原理。我們將對這種線性穩壓公式進行推導和分析。通過實際實驗結果對計算結果進行驗證，并證明其能夠非常緊密地匹配。為了評估大批量生產的可行性，我們對輸出電流容限進行了徹底的研究和分析。結果證明，傳統解決方案難以達到全部批量生產電流容限，特別是在當前市場所要求的更高輸出應用的發展趨勢下更是如此。

　　為了解決這個問題，我們建議使用一個簡易線性穩壓補償電路。我們從理論計算和實驗測量結果兩個方面，對這種建議解決方案進行了驗證。根據推導的輸出電流和線性穩壓速率公式，對實際批量生產所要求的最終總電流容限進行分析。根據所得結果，我們發現，在達到這種實際要求方面，實現了巨大的進步。最后，基于樣機對測試結果和計算結果進行比較；經證明，它們非常匹配。

　　1、引言

　　隨著LED室內照明的日益增長，非隔離式方案和隔離式方案都變得越來越流行。特別是，高線性穩壓的高PF和精確恒定電流模式方案成為市場的主導方案。但是，由于輸出電壓變得更高更寬，傳統LM3444/L3445非隔離式應用無法達到這種寬余量要求，從而進一步限制了LM3445/LM3445的應用。

　　鑒于上述問題，本文的主要目標在于精確線性穩壓要求的高輸出應用。在本文中，通過第2章的一些公式，闡述一般工作原理。利用這些公式，我們可以求解最終輸出電流。為了對結果進行評估，第3章介紹了一個統一公式，通過它輸出電流得到簡化。另外，第3章還進一步詳細說明了電流容限分析。第4章給出了一些基于樣機的設計例子。文章給出了計算結果和仿真結果，并把它們與實驗結果進行比較。經證明，它們的匹配非常好。但是，深入研究后，我們發現仍然很難達到批量生產的電流容限要求。

　　為了解決這個問題，我們在第5章提出了一個建議補償電路。通過計算和仿真實驗，對這個補償電路進行了驗證。最終，實驗證明，該電路明顯改善了線性穩壓和電流容限性能。利用這種電路，得到改進的線性穩壓將在實際應用具備更強的競爭力，特別是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明應用中。

　　2、傳統非隔離式LM3444/LM3445解決方案的原理

　　圖1顯示了更高PF的傳統非隔離式解決方案。為了方便講解其工作原理，我們給參數做如下定義：

　　?Vout：LED輸出電壓

　　?I：單時間段內等效時間值

　　?Kfeed：輸入AC電壓的前饋系數

　　?Rs：電流檢測電阻器

　　?Rup：toff充電電阻器

　　?Cchar：toff充電電容器

　　?Vinmin：AC輸入電壓最小值

　　?Vinmax：AC輸入電壓最大值

　　?Vinac：AC輸入電壓

　　?_noimp：無改進線性穩壓電路函數

　　?_imp：改進線性穩壓電路函數

　　圖1 高PF的傳統建議非隔離式解決方案

　　這是一種典型的無反饋環路應用，但是它具有下列特性：

　　1、更高的PF。通過輸入前饋電路實現。

　　2、恒定電流。這是通過LED輸出電壓檢測toff電路實現。

　　AC輸入電壓可表示如下：

　　如圖1所示，C1大于C2，目的是實現更高的PF值，例如：C1/C2 = 220n/10n。LM3444或者LM3445的針腳5的電壓可以表示為：

　　toff的充電電流為：

　　進行實際計算時，Veb_Q1可選擇0.6作為參考設計。

　　因此，toff可寫為：

　　頻率可以表示為：

　　電感器的紋波電流為：

　　因此，最大電流和平均電感電流公式可寫為：

　　那么，LED輸出電流為：

　　3、基于傳統解決方案的LED電流線性穩壓分析

　　由于LED電流已在上面做了推導，因此我們可以把總公式寫為：

　　為了推導每個輸入電壓的LED電流變化，可對公式（10）進行簡化，因為Vout一般小于Vinac，并且Vout大于Vbe_Q2。公式可簡化為：

　　那么，整個輸入范圍內的LED電流變化可利用公式（11）推導出。

　　我們可以看到，LED電流變化嚴重依賴于Vout，其意味著當LED電壓較低時它可以使用更高的線性穩壓，在這種情況下，其非常適合于GU10應用。

　　3.1 批量生產期間Δ LED電流變化分析

　　公式（11）推導出LED電流變化，但是這種變化在整個輸入范圍受Rs、L、Cchar和Rup容限的影響。根據批量生產要求，我們對其進行如下分析：

　　1、批量生產時Δ LED電流變化受Rs（例如：2%容限）影響如下：

　　2、批量生產時Δ LED電流變化受Rup（例如：2%容限）影響如下：

　　3、批量生產時Δ LED電流變化受Cchar（例如：10%容限）影響如下：

　　4、批量生產時Δ LED電流變化受L（例如：16%容限）影響如下：

　　5、批量生產時某個Vled下的Δ LED電流變化極端情況如下：

　　正常情況下，相比LED電流變化，這種總變化非常小。

　　3.2 批量生產期間的LED電流容限分析

　　在批量生產中，LED電流受到規定。正常情況下，要求它在±5%范圍內，其在整個輸入范圍與Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限無關。

　　由公式（9），我們知道，LED電流變化受到這些參數的影響。下面是詳細分析。

　　1、批量生產時LED電流變化受Rs（例如：2%容限）影響情況如下：

　　2、批量生產時LED電流變化受Rup（例如：2%容限）影響情況如下：

　　3、批量生產時LED電流變化受Cchar（例如：10%容限）影響情況如下：

　　4、批量生產時總LED電流變化受L（例如：16%容限）影響情況如下：

　　5、批量生產時總LED電流變化受kfeed（例如：2%容限）影響情況如下：

　　6、批量生產時某個Vled下的極端LED電流變化如下：

　　那么，按照批量生產要求總LED電流容限可表示為：

　　4 基于傳統解決方案的線性穩壓與批量生產電流容限設計舉例證明

　　為了驗證上面推導計算結果的有效性，我們按照表1所列參數制作一個樣機。

　　表1 樣機參數

　　利用第2章的公式（5），得到圖2所示頻率曲線圖：

　　圖2 小于90Vac和140Vac的無改進解決方案頻率

　　利用第2章的公式（7）和（8），得到電感器的最大電流和平均電流（參見圖3）：

　　圖3 小于90Vac和140Vac的無改進解決方案輸出電流

　　圖4和圖5顯示了小于90Vac和140Vac的仿真和實驗結果。

　　圖4 90Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結果

　　圖5 90Vac以下電感電流和輸出電流的測試結果

　　測量和仿真得電流波形（參見圖4和圖5）幾乎完全一樣；輸出紋波表明存在一些小的差異，原因是LED仿真模型和實際測試LED負載之間有差異。

　　圖6 140Vac以下電感電流和輸出電流的仿真結果

　　圖7 140Vac以下電感電流和輸出電流的測試結果

　　從圖6和圖7所示結果來看，計算結果好像密切匹配仿真結果與實際測量結果。這個結果為后面的容限分析提供了有力的理論支撐。

　　利用第2章的公式9，計算出標準輸出電流；得到批量生產期間考慮到參數容限情況下的最大和最小輸出電流：

　　圖8 90Vac和140 Vac以下無改進解決方案的輸出電流

　　利用3.2小節的公式（23），得到批量生產期間考慮到參數容限情況下的極端LED電流變化。

　　圖9 90Vac到140Vac以下無改進解決方案組件容限對LED輸出電流變化的影響情況

　　利用3.2小節的公式（24），得到批量生產期間的總LED電流容限（參見圖10）：

　　圖10 批量生產時90Vac到140Vac以下無改進解決方案的總LED電流容限

　　從公式（24），我們可以看到，90Vac到140Vac以上的正常LED電流變化為17mA，線性穩壓為± 3.3%，這對單個組件而言是可以接受的。但是，實際工程的主要問題是總調節可行性，也即考慮組件容限情況下的總LED電流容限。由圖8，我們知道，受組件容限影響的輸出電流變化約為32mA。因此，批量生產時的總LED電流容限為± 8%以上，如圖10所示。在實際生產過程中，這同樣很難實現。從上述分析我們可以知道，線性穩壓是改善輸入范圍總容限的關鍵。

　　5 改進型非隔離式LM3444/LM3445解決方案工作原理

　　為了改善線性穩壓，我們建議使用圖11所示線壓補償。

　　圖11 改進型線壓補償電路

　　為了降低圖11所示電路的閂鎖電流容限，可使用更高精度的電阻器R21、R23和R1_comp。為了減少D11、Q3和Q4的正向電壓影響，我們建議C7電壓稍高一些（例如：20Vdc）。為了知道不同溫度下的電流容限，規定V_C7為20V，Q4的V_c為20V，而R_comp為300K，然后進行SPICE溫度掃描仿真。結果如圖12所示。