LED驱动电源厂家应先测定负载电流的准确值

作者简介

ChristopheVaucourt现任TI（德国）系统工程师，    PowerInt公司的TFS762HG是HiperTFS系列成员,集成了两个大功率双开关正向转换器和中功率反激(副)转换器,所提供的主功率高达414W,副转换器提供高达20W功率.器件具有可编程的火线欠压(UV)检测,过压(OV)检测以及精确的延迟热关断(OTP)等保护,满负荷效率大于90%,主要应用在PC,打印机,LCDTV,视频游戏机,大功率适配器以及工业和电器大功率适配器.本文介绍了TFS762HG产品特性和亮点,方框图,主输出12V/25A,待机电源5V/2.5A的电路图以及采用TFS762HG的14.5W待机和300W主电源参考设计电路图,材料清单和主副电源变压器电路图.

TheHiperTFSdevicefamilymembersincorporatebothahigh-powertwo-switch-forwardconverterandamid-powerflyback(standby)converterintoasingle,low-profileeSIP™powerpackage.Thesinglechipsolutionprovidesthecontrollersforthetwo-switch-forwardandflybackconverters,high-andlow-sidedrivers,allthreeofthehigh-voltagepowerMOSFETs,andELiminatestheconverter’sneedforcostlyexternalpulsetransformers.Thedeviceisidealforhighpowerapplicationsthatrequirebothamainpowerconverter(two-switchforward)upto414W,andstandbyconverter(flyback)upto20W.HiperTFSincludesPowerIntegrations’standardsetofcomprehen-siveprotectionfeatures,suchasintegratedsoft-start,faultandover-loadprotection,andhystereticthermalshutdown.HiperTFSutilizesadvancedpowerpackagingtechnologythatsimplifiesthecomplexityoftwo-switchforwardlayout,mountingandthermalmanagement,whileprovidingveryhighpowercapabilitiesinasinglecompactpackage.Thedevicesoperateoverawideinputvoltagerange,andcanbeusedfollowingapower-factorcorrectionstagesuchasHiperPFS.

Two-switch-forwardpowerconvertersareoftenselectedforapplicationsdemandingcost-effectiveefficiency,fasttransientresponse,andaccuratetolerancetolinevoltagefluctuation.Thetwo-switch-forwardcontrollerincorporatedintoHiperTFSdevicesimprovesontheclassictopologybyallowingoperationconsiderablyabove60%dutycycle.ThisimprovementreducesRMScurrentsconductionlosses,minimizesthesizeandcostofthebulkcapacitor,andminimizesoutputdiodevoltageratings.Theadvanceddesignalsoincludestransformerfluxresetcontrol(saturationprotection)andcharge-recoveryswitchingofthehigh-sideMOSFET,whichreducesswitchinglosses.ThiscombinationofinnovationsyieldsanextremelyefficientpowersupplywithsmallerMOSFETs,fewerpassivesanddiscretecomponents,andalower-costtransformer.

HiperTFS’sflybackstandbycontrollerandMOSFETsolutionisbasedonthehighlypopularTinySwitch™technologyusedinbillionsofpowerconverterICsduetoitssimplicityofoperation,lightloadefficiency,andrugged,reliable,performance.Thisflybackconvertercanprovideupto20Wofoutputpowerandthebuiltinoverloadpowercompensationreducescomponentdesignmargin.

TFS762HG产品亮点:

ProtectedTwo-SwitchForwardandFlybackCombinationSolution

Incorporatesthreehigh-voltagepowerMOSFETs,mainandstandbycontrollers,andgatedrivers

Levelshifttechnologyeliminatesneedforpulsetransformer

Programmablelineundervoltage(UV)detectionpreventsturn-offglitches

Programmablelineovervoltage(OV)detection;latchingandnon-latching

Accuratehystereticthermalshutdown(OTP)

Accurateselectablecurrentlimit(mainandstandby)

Outputover-currentprotection(OCP)

Fullyintegratedsoft-startforminimumstart-upstress

SimplefastACreset

ReducedEMI

Synchronized66kHzforwardand132kHzflybackconverters

Frequencyjitter

Eliminatesupto30discretecomponentsforhigherreliabilityandlowercost

AsymmetricalTwo-SwitchForwardReducesLosses

Allows>50%dutycycleoperation

ReducesprimarysideRMScurrentsandconductionlosses

Minimizesthesizeandcostofthebulkcapacitor

Allowsreducedcapacitanceorlongerhold-uptime

Allowslowervoltageoutputdiodes

Transformerresetcontrol

Preventstransformersaturationunderallconditions

ExtendsdutycycletosatisfyACcycledropoutridethrough

Dutycyclesoft-startwith115%currentlimitboost

Satisfies2ms~20msstart-upwithlargecapacitanceatoutput

Outputshortcircuitprotection(SCP)withauto-restart

RemoteON/OFFfunction

Voltagemodecontrollerwithcurrentlimit

20WFlybackwithSelectablePowerLimit

TinySwitch-IIIbasedconverter

Selectablepowerlimit(10W,12.5W,15W,or20W)

Built-inoverloadpowercompensation

Flatoverloadpowervs.inputvoltage

Reducescomponentstressduringoverloadconditions

Reducesrequireddesignmarginfortransformerandoutputdiode

Outputovervoltage(OV)protectionwithfastACreset

Latching,non-latching,orauto-restart

Auto-restart

AdvancedPackageforHighPowerApplications

434Woutputpowercapabilityinahighlycompactpackage

Upto550Wpeak

Simpleclipmountingtoheatsink

Canbedirectlyconnectedtoheatsinkwithoutinsulationpad

ProvidesthermalimpedanceequivalenttoaTO-220

HeatslugconnectedtogroundpotentialforlowEMI

Staggeredpinarrangementforsimpleroutingofboardtracesandhigh-voltagecreepagerequirements

Singlepowerpackagefortwopowerconvertersreducesassemblycostslayoutsize

TFS762HG主要优势:

Singlechipsolutionfortwo-switchforwardmainandflybackstandby

Highintegrationallowssmallerformfactorandhigherpowerdensitydesigns

Incorporatescontrol,gatedrivers,andthreepowerMOSFETS

Levelshifttechnologyeliminatesneedforpulsetransformer

Protectionfeaturesinclude:UV,OV,OTP,OCP,andSCP

Transformerresetcontrol

Preventstransformersaturationunderallconditions

Allows>50%dutycycleoperation

ReducesprimarysideRMScurrentsandconductionlosses

Standbysupplyprovidesbuilt-inoverloadpowercompensation

Upto434Wtotaloutputpowerinahighlycompactpackage

Upto550Wpeak

Highefficiencysolutioneasilyenablesdesigntomeetstringentefficiencyspecifications

>90%efficiencyatfullload

No-loadregulationandlowlossesatlight-load

Simpleclipmountingtoheatsinkwithoutneedforinsulationpad

HalogenfreeandRoHScompliant

TFS762HG应用:

PC

Printer

LCDTV

Videogameconsoles

High-poweradapters

Industrialandappliancehigh-poweradapters


图1.TFS762HG两开关正向转换器方框图

图2.TFS762HG两开关正向和反激(副)转换器简化电路图

图3.TFS762HG高效电路图:主输出12V/25A,副电源5V/2.5A

采用TFS762HG的14.5W副和300W主电源参考设计

参考设计主要特性:

HighefficiencyMainandStandbyconverters

Remoteon/off

Built-inmainandstandbyundervoltagethresholdsprotectionensuresgraceful

powersupplystart-upandshutdown

Latchingoutputovervoltageprotection

Integratedhigh-sidedriver

Outputshort-circuitandopenloopprotection

Maintransformerresetprotection

Flatstandbyoverloadversusinputvoltage

Thisdocumentisanengineeringreportdescribinga5V,2.9AStandbyanda12V,25AMainpowersupplyutilizingtheTFS762HGdevicefromtheHiperTFSfamily.

ThisexamplepowersupplyusesafixedDCinputvoltage,butinatypicalapplication,itwouldbeconnectedtoaPFCboostinputstage,deliveringapproximately385VDCtoimplementa300Wpowersupplywithvariousoutputvoltages.AlabbenchDCpowersupplycapableof400VDCat3AoranACinputrectifierstageisrequiredsupplytotheinputforevaluation.ItisalsopossibletousethepowerfactorcircuitRDK-236toprovidetheregulated385VDCneededtopowerRDK-249.

TypicallyPCpowersupplieshaveauniversalACinputpowerfactorcorrected(PFC)inputstagebutasthebiasstandbysupplymustoperatebeforethePFCstageisactive,theStandbyoutputmustoperatewiththeDCequivalentofuniversalACinputvoltages(85VACto265VACand100VDCto400VDC).


图4.采用TFS762HG的电源外形图
采用TFS762HG的电源指标:



图5.采用TFS762HG的参考设计电源电路图

采用TFS762HG的参考设计电源材料清单(BOM):



StandbyTransformerSpecification

图6.副电源变压电路图
MainTransformerSpecification

图7.主电源变压电路图
，

5。1A18为实测电流输出为18.4-18.8mA之间，  1、分布式恒流技术

分布式恒流就是：在各并联支路点均设立独立恒流源,从而管理、维持、控制支路与整体线路稳定。在使用上可视为一个完整的线路结构,而实际应用是分布在线路各节点的恒流控制并能相互通讯。分布式恒流设计LED产品,有着非常高的产品稳定性。在当前,LED产品宣称与实际使用寿命有较大的差距,在驱动线路设计技术积累有限的情况下,评估产品寿命与实际使用有距离。驱动线路稳定性直接影响产品整体稳定,分布式恒流有着独有的优势。

保持支路和整体电流稳定,还要能方便控制管理支路和整体线路工作,这是分布式恒流技术的包含范围。驱动LED需要恒流,但是电流的大小取决于应用环境,LED照明智能化发展是关键,分布式恒流技术充份预留智能化接口。

在分布式LED驱动设计中,驱动回搜、色温可调、灰度控制都要变得方便。这是分布式恒流技术发展的必要性,随温度变化驱动电压要适当调整,客户设计因产品而异LED数量不一,支路恒流平衡都需要回授线路完成。LED在迅速替代CCFL作为新一代背光源,但是我们发现显色性并没有CCFL好,色温也不能可调,不是我们不需要LED色温可调整,关键是设计线路不支持色温可调整。

在LED应用中,灰度也需要很好的表现,灰度控制总是会和亮度混淆,实际上有着本质的区别,灰度控制代表着智能化的水平程度,而亮度在产品中只设定一次,智能化一定离不了灰度等级再现。

分布式恒流技术还有一个特点是,让AC电源部分继续采用传统开关电源,恒压的供电模式。开关电源技术积累会给LED电源设计创造品质条件,虽然加速老化估算电源寿命是一种办法,和传统开关电源长期实战技术积累还是有些差距!

分布式恒流也有它缺点,开始会增加部分设计成本,产品设计品质与线路设计选择需要权衡。可能成本增加是短暂的,表面的,应该综合考量。

2、分布式恒流源节点设置

分布式恒流技术就是在需要恒流的节点上串接,低压差线性恒流驱动器。低压差很重要,关系到产品驱动效率。做到恒流驱动有很多种,其中低压差线性恒流就可以实现一切LED应用设计,即稳定又简单,结合开关电源,有着完美的恒流驱动架构。

恒流源放置点灵活,在所有的并联支路,不会因支路电流变化影响其它支路工作。都希望挑选LED得到负载阻抗匹配,分布式恒流可以设计变得更完美,要求不是很高也可以免除挑选。保持各支路和整体线路电流稳定,才能提升灯具产品稳定性。

恒流源放置,在每个并联支路节点,也可以是整体的恒流点设计,恒流源串接支路中在某一个位置都能起到很好的作用。一般恒流驱动通道数很难与设计匹配,分布式恒流会有着高度的设计灵活性。

在LED照明线路设计中,AC电源需要回授电路,配合输出LED驱动数量,和驱动效率的合理性。在分布式恒流驱动源中,每一个驱动源都可以直接完成光耦回授任务。

3、恒流输出软件化将开辟,LED应用技术的飞跃

在日常驱动电源设计中,周边器件累计误差处理起来很是棘手,结果驱动电源参数离设计初衷相差甚远。恒流驱动需要电流检测,通常做法是在支路中串接毫偶电阻获取回授信息,要达到高的效率,电阻值会越小,过小的毫偶电阻给生产、测试都带来麻烦,一般的仪器无法验证到正确值,生产过程会影响到精度,电流值被固定,调整非常不便。

分布式恒流输出软件化将开辟,LED应用技术的飞跃,LED恒流技术软件化,大幅提升LED应用的灵活性。恒流驱动器电流设定软件化实际上也很简单,在IC内部设立寄存器,根据实际产品应用存储的方式设置输出电流大小,这一切都是软件化过程,不需要更改线路设计。在销售器件的同时附赠上微机操作软件,直观的数字写入完成电路电流设定。

驱动线路周边0器件,这是我们的目标,周边0器件不会带来设计器件参数误差累计,因周边器件误差累计而造成的恒流精度回升到0。

4、驱动优势

我们将恒流输出范围均等的划分若干等级,每阶电流被数字化描述,指定在一定空间内的寄存器,上电驱动IC会读取对应数字并执行相应电流值。内置E2PROM是首选,任何寄存器都能完成其任务,按照应用需要和工艺允许程度,决定存储器的类型选择。

在开发驱动技术的同时,也要同时开发应用软件,友好的界面支持数字化写入技术,使得LED驱动电源设计变得更简单,更智能。

电流阶划分与设计要求有所不同,因长运通公司型号对应市场不同有所区别。分布式恒流内置寄存器后,电流值划分会弥补工艺上的精度不足,因制造工艺原因输出电流总是有误差,因此得到改善。

驱动IC出厂时可以确定输出电流大小,可根据不同的客户,提供不同的电流输出值,免除批量校准过程。对于小客户来讲,通过附赠上微机软件改写电流值,是最为方便的方式。还有一种情况,也是客户经常需要的,比如对产品的亮度要求,允许驱动电流不同,要求产品亮度一致,从而通过产品设计接口解决终端客户对亮度的要求。在年久后,因LED光衰减或根据现实使用情况,再次确定驱动电流值及用途。

5、分布式接口

分布式恒流技术需要分布式通讯方式支持,LED智能化要有先进的通讯技术完成。单线数据传输,被选定为LED分布式技术通讯方式,采用曼彻斯特编码,固定速率400Kbps,通讯可靠传输距离大于1米,级联可达1024个恒流源,内置150℃温度保护,同时提供光耦驱动接口。

在分布式恒流技术中,每一颗独立的恒流源,都能完成光耦回授。根据恒流源压差信息,直接驱动光耦,完成电路回授过程。做到周边设计0器件,电源输出电压与负载阻抗匹配,实现恒流源与光源集成。

6、AC电源发展方向分析

1.原边反馈电源

用于小功率LED灯具驱动,采用原有原边反馈充电器开关电源移植而来。这部分AC驱动没有因LED应用而改变规格,有着诸多的型号供选择,除体积受限外设计上与开关电源没有本质区别,借来应用到LED也算合理。

2.大功率隔离照明电源

LED全部是采用开关电源而设计,任何公司到目前为止都没有推出针对LED专用AC驱动器件,隔离设计就是设计开关电源,LED产业热顺道说给LED开发而已,基本可以断言开关电源就是LED-AC驱动,也是主要的应用方式之一。

3.非隔离LED驱动电源

非隔离LED驱动推出较多针对性电源技术,是值得肯定的,是LED电源一个方向。隔离安全主要取决于与外壳爬电间隙设计,并没有规定LED电源一定要隔离设计,也没有限制输出电压值,关键是采用哪种隔离安全,非隔离有驱动效率高等优点,结合结构也能设计出优质、安全、高效的LED产品。

4.可控硅调光兼容性电源

特殊应用,数量受限,有过渡性安排。

最后总结!

这几年我们主张《先恒压,再恒流》,会是LED照明市场主流,经过这两年的发展严谨的定义为《分布式恒流》技术。虽然各大公司,诸多的专家学者在致力于《LED照明电源》研究,我们依然看到的还是开关电源而已!为此LED照明电源主要研究的重点应该放在：次级DC部分,恒压开关电源与分布式恒流技术结合。