3W功率LED球泡燈趨勢研究：非隔離逆襲隔離
燕山大學 尹紅 王立喬
中國LED標準委員會李明峰 劉森林 張占松
摘要：文章首先剖析了目前市場最大用量主流的3 W LED球泡燈方案，隔離3×1W。提出這種方案的優缺點，基于這種優缺點，提出了日后方案的市場發展方向。中國LED標準的選擇，將基于市場上最優化的方案。順應市場發展，本文應用上海占空比半導體公司的DU8613芯片，基于非隔離BUCK拓撲提供了一種3W球泡燈LED恒流控制驅動方案，并提供了實驗數據和相關波形圖，并且展望了非隔離驅動的發展空間。
關鍵詞： LED恒流控制 非隔離上海占空比 DU8613
1 引 言
隨著絕緣散熱材料的優化普及，非隔離驅動方案是大勢所趨。更高的效率的實際意義除了降低能耗，更提高了LED燈珠使用率，降低成本，給消費者帶來動力。目前中國LED標準尚未確立，因為市場激烈競爭，目前市場3W隔離驅動方案可以達到極低成本，但存在一些問題。
2. 1市場目前主流3W驅動電源簡介
3W LED球泡燈是目前消費需求量最大的市場之一，目前主流的方案是3×1W，每個燈珠3.3V300mA，通過3個燈珠串聯方式形成負載，輸出負載為10V/300mA. 由于電網電壓整流后和此輸出負載電壓相差較大，所以最適合的方式是通過反激隔離降壓驅動。然而隔離電路結構復雜，器件較多，成本較高，效率較低，可靠性較低，不適合批量生產。與隔離電路相對地，非隔離電路線路簡單，所用器件少，體積小，成本較低，效率較高。隨著市場對成本和效率的要求，非隔離電路在小功率LED驅動領域開始登上舞臺。
2.2 DU8613集成開關簡化線路實現全閉環3WLED球泡燈恒流控制
DU8613是一款連續電流工作模式的降壓式恒流控制器，具有3%的系統恒流精度，內部集成了500V高壓MOSFET，在一定程度上簡化了外圍電路，并且設定了采樣電阻開路、短路保護，輸出過流、短路保護，過溫保護等保護功能。DU8613是基于TRUEC2技術，實現全閉環高精度的恒流控制方法，專門用于3WLED非隔離球泡燈驅動的芯片。圖1所示是利用該芯片實現的一種降壓驅動方案。如圖1芯片CS端檢測到的電感電流信號經過專利技術處理，如圖2中的TRUEC2閉環恒流控制模塊，就得到電感電流(即輸出電流)的平均值。芯片通過檢測到的不同的輸出電流平均值控制開關管占空比，從而實現閉環控制。
圖1 全閉環非隔離降壓恒流LED驅動電源參考示意圖
圖2 DU8613內部功能圖
圖3 DU8613球泡燈應用實物圖及其PCB布線圖
2.3 實驗結果
我們選擇一個典型的LED球泡燈應用來做IC功能的驗證，基本電參數如下：
輸入電壓范圍：180~265VAC/50Hz 典型效率：>88%
輸出電壓范圍：3~52VDC 輸出電流：60mA
標稱輸出功率：3W
對于輸入電壓、負載LED變化情況下，我們測試得到如下線性、負載調整率結果：
圖4系統線性調整率
圖4的線性調整率接近0，這是因為芯片逐周期閉環控制，立刻響應，不會引起輸出電流變化，有效抑制了電網電壓波動引起的擾動。在實現如此理想的線性調整率的同時，還省卻了第二代控制芯片因為線性補償的許多外圍元器件，簡單即完美的哲學在此設計中再一次體現。
圖5 系統負載調整率
圖5中的系統負載調整率為0.3%，它的實際意義是多套燈負載可以用一套電源。例如12串LED輸出是36V左右，24串輸出是72V左右，如果設計電流值相同，可以使用同一套電源，對于電源廠，在生產中對于備料、庫存管理有顯著價值。值得一提的是，如圖6，此系統在短路的時候依然實現了恒流，這就意味著：1. 短路保護通過最安全的方式實現。2. 這是真正意義的全負載恒流。
圖6 電感調整率
市面上的傳統芯片利用開環的控制技術——固定Toff的控制技術，電流推導公式如下：
平均電感電流：ILav=ILpk-(1/2)×ILr
ILpk為電感峰值電流：ILpk=Vcs/Rcs
ILr為電感紋波電流：ILr=(Vout/L)×Toff
如果采用傳統芯片，電感的變化會引起輸出電流的變化,然而在批量生產時電感的一致性很難控制。圖6顯示，采用DU8613芯片，在不同的功率電感下，仍然能保持輸出電流恒定，因此降低了電感一致性的要求，有利于電感的批量采購，從而降低采購成本。
圖7 效率曲線
圖8 市場某公司隔離3WLED驅動方案效率曲線
圖4、5、6可以看到，由于閉環控制，在設計的正常工作范圍內，輸出電流維持定值，單顆系統可以認為是恒定的輸出電流，即線性調整率接近0，負載調整率為±0.5%。量產時，由于參數一致性分布，大量試產數據表明，恒流精度小于±2%。圖7顯示，適當調整輸入，輸出標稱功率3w的時候，系統效率可以在88%以上，即使是在全電壓輸入范圍內效率也能達到86%以上。圖8為市場某隔離3W方案的效率曲線。對比表明，對于小功率LED球泡燈，非隔離從節能角度相對于隔離是一種巨大進步，如果折算到全球球泡燈耗電，這種節能減排的效果，是相當可觀的。
實驗表明，DU8613采用全閉環恒流控制能夠實現高精度恒流控制，應用于驅動3W的球泡燈，總BOM成本低于￥1.5。這個成績跟某些阻容降壓或者恒流二極管方案相當，而且它的線性調整率、負載調整率、系統效率，以及沒有任何工頻紋波的輸出恒流效果，使該芯片占有有利的優勢。并且電路板器件少焊接容易，有利于批量生產。由于芯片全電流反饋對外界條件的依耐性弱的特點，在原料采購上既方便又可以降低成本。
4 趨勢展望
順應市場的需要，降低成本、提高效率和可靠性已經成為每個企業最求的目標。
采用隔離反激變換器的電路比較復雜，變壓器存在較大損耗，進而效率較低。LED本身是一種節能環保的新興替代光源，針對目前市場使用較多的3×1W隔離方案，是基于市場主流燈珠搭配而產生的，但是70％左右的效率令人失望，如果驅動電源沒有足夠高的轉換效率，談何節能環保？
非隔離電路具有結構簡單、器件少、成本低、效率高等優點，鑒于以上諸多優點，非隔離電路將漸漸取代隔離電路在小功率LED驅動電源的地位，成為這種驅動電源的主流。基于上海占空比公司的DU8613的驅動方案在保證成本足夠低的基礎上，帶來了恒流精度高，效率高的優勢。筆者認為，非隔離、小電流的特性正順應了市場的需要，必然會逐步取代隔離方案。
定稿日期：2013-08-8
作者簡介：
尹紅：燕山大學電力電子專業在讀碩士。
王立喬：2003年浙江大學電力電子專業畢業，獲博士學位，燕山大學碩士生導師。
李明峰，浙江大學電力電子專業碩士畢業。曾就職于艾默生網絡能源、美國國際整流器公司全球技術支持中心、BCD半導體。在IEEE及國內核心電力電子期刊發表數十篇技術論文，近年來專注于LED照明市場趨勢研究及行業優勢資源整合。
劉森林，在旭光、等多家公司就職從事LED驅動電源方案設計工作。目前在上海占空比公司負責華南地區技術支持和LED驅動電源整體方案提供工作。
張占松：廣東省電源行業協會/學會理事長。1960年畢業于華中理工大學工業企業電氣化與自動化專業。先后工作于中國科學院、科技學院工學院，六零年后從亊學校和實際應用工作，是可控硅MOSFETIGBT資深工作者，開關電源著作有高頻開關穩壓電源/開關電源的原理和設計/電路和系統仿真實踐/2010年后合編著高頻變換技術教程/開關電源技術教程等高校試用教材/是中囯電源學會副理亊及廣東省電源學會1至3屆理事長及廣東省科協常委。
