LM3444_LM3445非隔离式LED照明应用改进型线性稳压解决方案.docx

LM3444/LM3445 非隔离式LED照明应用改进型线性稳压解决方案作者：Richard Yang，德州仪器 (TI) 中国电源FAE 摘要本文基于LM3445的传统非隔离式解决方案，详细说明其工作原理。我们将对这种线性稳压公式进行推导和分析。通过实际实验结果对计算结果进行验证，并证明其能够非常紧密地匹配。为了评估大批量生产的可行性，我们对输出电流容限进行了彻底的研究和分析。结果证明，传统解决方案难以达到全部批量生产电流容限，特别是在当前市场所要求的更高输出应用的发展趋势下更是如此。为了解决这个问题，我们建议使用一个简易线性稳压补偿电路。我们从理论计算和实验测量结果两个方面，对这种建议解决方案进行了验证。根据推导的输出电流和线性稳压速率公式，对实际批量生产所要求的最终总电流容限进行分析。根据所得结果，我们发现，在达到这种实际要求方面，实现了巨大的进步。最后，基于样机对测试结果和计算结果进行比较；经证明，它们非常匹配。1、 引言随着LED室内照明的日益增长，非隔离式方案和隔离式方案都变得越来越流行。特别是，高线性稳压的高PF和精确恒定电流模式方案成为市场的主导方案。但是，由于输出电压变得更高更宽，传统LM3444/L3445非隔离式应用无法达到这种宽余量要求，从而进一步限制了LM3445/LM3445的应用。鉴于上述问题，本文的主要目标在于精确线性稳压要求的高输出应用。在本文中，通过第2章的一些公式，阐述一般工作原理。利用这些公式，我们可以求解最终输出电流。为了对结果进行评估，第3章介绍了一个统一公式，通过它输出电流得到简化。另外，第3章还进一步详细说明了电流容限分析。第4章给出了一些基于样机的设计例子。文章给出了计算结果和仿真结果，并把它们与实验结果进行比较。经证明，它们的匹配非常好。但是，深入研究后，我们发现仍然很难达到批量生产的电流容限要求。为了解决这个问题，我们在第5章提出了一个建议补偿电路。通过计算和仿真实验，对这个补偿电路进行了验证。最终，实验证明，该电路明显改善了线性稳压和电流容限性能。利用这种电路，得到改进的线性稳压将在实际应用具备更强的竞争力，特别是在LED R30/PAR30/A19/E27 LED照明应用中。2、 传统非隔离式LM3444/LM3445解决方案的原理图1显示了更高PF的传统非隔离式解决方案。为了方便讲解其工作原理，我们给参数做如下定义：Vout：LED输出电压I：单时间段内等效时间值Kfeed：输入AC电压的前馈系数Rs：电流检测电阻器Rup：toff充电电阻器Cchar：toff充电电容器Vinmin：AC输入电压最小值Vinmax：AC输入电压最大值Vinac：AC输入电压_noimp：无改进线性稳压电路函数_imp：改进线性稳压电路函数图1 高PF的传统建议非隔离式解决方案这是一种典型的无反馈环路应用，但是它具有下列特性：1、 更高的PF。通过输入前馈电路实现。2、 恒定电流。这是通过LED输出电压检测toff电路实现。AC输入电压可表示如下：如图1所示，C1大于C2，目的是实现更高的PF值，例如：C1/C2 = 220n/10n。LM3444或者LM3445的针脚5的电压可以表示为：toff的充电电流为：进行实际计算时，Veb_Q1可选择0.6作为参考设计。因此，toff可写为：频率可以表示为：电感器的纹波电流为：因此，最大电流和平均电感电流公式可写为：那么，LED输出电流为：3、 基于传统解决方案的LED电流线性稳压分析由于LED电流已在上面做了推导，因此我们可以把总公式写为：为了推导每个输入电压的LED电流变化，可对公式（10）进行简化，因为Vout一般小于Vinac，并且Vout大于Vbe_Q2。公式可简化为：那么，整个输入范围内的LED电流变化可利用公式（11）推导出。我们可以看到，LED电流变化严重依赖于Vout，其意味着当LED电压较低时它可以使用更高的线性稳压，在这种情况下，其非常适合于GU10应用。3.1 批量生产期间 LED电流变化分析公式（11）推导出LED电流变化，但是这种变化在整个输入范围受Rs、L、Cchar和Rup容限的影响。根据批量生产要求，我们对其进行如下分析：1、 批量生产时 LED电流变化受Rs（例如：2%容限）影响如下：2、批量生产时 LED电流变化受Rup（例如：2%容限）影响如下：3、批量生产时 LED电流变化受Cchar（例如：10%容限）影响如下：4、批量生产时 LED电流变化受L（例如：16%容限）影响如下：5、批量生产时某个Vled下的 LED电流变化极端情况如下：正常情况下，相比LED电流变化，这种总变化非常小。3.2 批量生产期间的LED电流容限分析在批量生产中，LED电流受到规定。正常情况下，要求它在5%范围内，其在整个输入范围与Vled、kfeed、L、Cchar和Rup的容限无关。由公式（9），我们知道，LED电流变化受到这些参数的影响。下面是详细分析。1、批量生产时LED电流变化受Rs（例如：2%容限）影响情况如下：2、批量生产时LED电流变化受Rup（例如：2%容限）影响情况如下：3、批量生产时LED电流变化受Cchar（例如：10%容限）影响情况如下：4、批量生产时总LED电流变化受L（例如：16%容限）影响情况如下：5、批量生产时总LED电流变化受kfeed（例如：2%容限）影响情况如下：6、批量生产时某个Vled下的极端LED电流变化如下：那么，按照批量生产要求总LED电流容限可表示为：4 基于传统解决方案的线性稳压与批量生产电流容限设计举例证明为了验证上面推导计算结果的有效性，我们按照表1所列参数制作一个样机。表1 样机参数利用第2章的公式（5），得到图2所示频率曲线图：图2 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案频率利用第2章的公式（7）和（8），得到电感器的最大电流和平均电流（参见图3）：图3 小于90Vac和140Vac的无改进解决方案输出电流图4和图5显示了小于90Vac和140Vac的仿真和实验结果。图4 90Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果图5 90Vac以下电感电流和输出电流的测试结果测量和仿真得电流波形（参见图4和图5）几乎完全一样；输出纹波表明存在一些小的差异，原因是LED仿真模型和实际测试LED负载之间有差异。图6 140Vac以下电感电流和输出电流的仿真结果图7 140Vac以下电感电流和输出电流的测试结果从图6和图7所示结果来看，计算结果好像密切匹配仿真结果与实际测量结果。这个结果为后面的容限分析提供了有力的理论支撑。利用第2章的公式9，计算出标准输出电流；得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的最大和最小输出电流：图8 90Vac和140 Vac以下无改进解决方案的输出电流利用3.2小节的公式（23），得到批量生产期间考虑到参数容限情况下的极端LED电流变化。图9 90Vac到140Vac以下无改进解决方案组件容限对LED输出电流变化的影响情况利用3.2小节的公式（24），得到批量生产期间的总LED电流容限（参见图10）：图10 批量生产时90Vac到140Vac以下无改进解决方案的总LED电流容限从公式（24），我们可以看到，90Vac到140Vac以上的正常LED电流变化为17mA，线性稳压为 3.3%，这对单个组件而言是可以接受的。但是，实际工程的主要问题是总调节可行性，也即考虑组件容限情况下的总LED电流容限。由图8，我们知道，受组件容限影响的输出电流变化约为32mA。因此，批量生产时的总LED电流容限为 8%以上，如图10所示。在实际生产过程中，这同样很难实现。从上述分析我们可以知道，线性稳压是改善输入范围总容限的关键。5 改进型非隔离式LM3444/LM3445解决方案工作原理为了改善线性稳压，我们建议使用图11所示线压补偿。图11 改进型线压补偿电路为了降低图11所示电路的闩锁电流容限，可使用更高精度的电阻器R21、R23和R1_comp。为了减少D11、Q3和Q4的正向电压影响，我们建议C7电压稍高一些（例如：20Vdc）。为了知道不同温度下的电流容限，规定V_C7为20V，Q4的V_c为20V，而R_comp为300K，然后进行SPICE温度扫描仿真。结果如图12所示。图12 0C、25 C、50 C和85 C以下温度扫描仿真结果由该结果，我们知道温度容限为3%，因此可以进入实际设计。在安装补偿电路（参见图11）以后，经过改善的toff的充电电流为：为了减少Q3和Q4的Vbe的影响（如图11所示），我们建议，公式（27）的系数k尽可能地大，这样我们便可在设计中忽略Vbe。最大电流和平均电感电流公式与第2章中的公式（7）和公式（8）一样。最终LED电流公式如下：如果不考虑其他组件容限，则输出LED电流的标准化公式可以写为：在实际计算过程中，我们可以做如下规定：0.95Char、0.99Rs、0.99Rup、1.08L和0.99 kfeed，以便得到最大LED输出电流。该计算公式如下：利用相同的分析，我们可以做如下规定：1.05 Char、1.01Rs、1.01 Rup、0.92 L和1.01 kfeed，以便得到最小LED输出电流。该计算公式如下：那么，我们可以得到下列频率范围和电感电流波形相关计算方法。图13 90Vac和140Vac以下频率图14 90Vac和140Vac以下电感电流图15和图16显示了90Vac和140Vac以下实验结果图15 90Vac以下电感电流和输出电流测试结果图16 140Vac以下电感电流和输出电流测试结果图17显示了线性稳压计算结果：图17 线性稳压计算改善至1%以下输出电流为一条输入电压的非线性曲线，而非线性曲线。补偿参数极大影响这条曲线。在实际设计中，工程师可以通过调整线压补偿参数来对这条曲线进行优化。为了验证该结果，使用图18所示测量结果与计算结果比较。图18 极端电流容限计算改善至6.6%由图18，我们可以知道，由于使用了改进线性稳压电路，极端电流容限也得到了改善。为了达到这种非常严苛的极端电流容限，我们的解决方案必须进一步改进，以适应一些特殊用户的要求。如果考虑90Vac以下的电流容限，则可得到：如果90Vac以上的容限基本相同则可以达到这个目标；因此，图19给出了一种备选建议方法。图19 120Vac到140Vac以下线性稳压改善电路LM3445/LM3444的针脚5电压计算方法如图20和图21所示：图20 添加图20电路时的LM3445/LM3444针脚5电压图21 使用图19电路后线性稳压得到较大改善通过前面的分析，我们可以得出结论：这种电路可帮助改善线性稳压。但是，如果使用线压补偿电路的电流容限可达到批量生产要求，则不能使用这种附加二极管电路。但是，如果PCB布局有多余空间，则TI仍然推荐在实际设计中使用这种附加二极管电路。最后，图22显示了备选方法的完整改善解决方案。图22 大幅改善线性稳压的备选方法完整解决方案结论本文基于传统非隔离式LM3444/LM3445，彻底分析了输出电流线性稳压和电流容限。结果是线性稳压并不理想。为了解决这个问题，我们提出了一种改进解