引言

目前，LED照明領域有一種日益流行的趨勢，即在保證高功率因數(shù)的同時，無線路頻率且具有低紋波電流。日本市場要求箝位電流紋波比需小于“1.3”且紋波頻率需高于100Hz；能源之星也有類似的要求，輸出工作頻率必須≥120Hz[1]。

圖1：集成LED燈的能量之星要求

CH3： VLED、CH4： ILED

圖2：17W單級中的線路頻率紋波電流

為了擁有高功率因數(shù)，單級PFCPSR-CC沒有降壓E-cap，因此不能消除線路頻率紋波電流。在部分高端照明應用中，不能使用單級PSR-CC。傳統(tǒng)解決方案使用三級：PFC級、反激式轉(zhuǎn)換器級和次級DCDC級來解決這個問題，如圖3所示。

圖3：三級解決方案

顯然，該電路雖然性能不錯，但是太復雜，包含太多元件，成本不夠低，太占空間。

本文中的雙級解決方案采用了PSR技術，在保證高性能（無線路頻率紋波電流和高功率因數(shù)）的同時節(jié)省了一級的成本。第1部分列出了PSR-CC和PSR-CV解決方案的電路性能分析；第2部分則解釋了如何實現(xiàn)雙級PSR-CV解決方案。第3部分解釋了雙級PST-CV解決方案原型的實驗結果；最后一部分總結了該研究的結論。

1. 雙級解決方案

從 PSR 技術取決于控制目標的角度來看，總共有兩種控制方法： 恒定電壓調(diào)節(jié)和恒定電流調(diào)節(jié)。

因為LED電流決定了光強度，因此單級

PFC PSR-CC常被用于照明應用中。

圖4：典型的單級PSR-CC解決方案

為了消除線路頻率紋波電流，滿足嚴格的標準，我們必須使用多級解決方案。PSR技術不需要次級反饋環(huán)路和光耦合器，且其調(diào)節(jié)功能非常嚴格，才使雙級解決方案得以實現(xiàn)。

基于三級解決方案，我們可以用兩種不同的方式來采用PSR技術實現(xiàn)雙極解決方案：

1.1 雙級PSR-CC

第一種雙級PSR解決方案為將反激式轉(zhuǎn)換器級與次級DCDC級結合為同一級以實現(xiàn)隔離和驅(qū)動、LED調(diào)光功能，另一級為PFC級。如圖4所示，LED電流在初級端進行控制，因此該解決方案又名雙級PSR-CC。

圖4：雙級PSR-CC解決方案

雙級PSR-CC解決方案市場反應良好，特別是在切向調(diào)光領域----調(diào)光信號來自于交流線路。但是在模擬或PWM調(diào)光中，情況則完全不同。由于調(diào)光功能是在初級端完成的，從安全角度考慮，該解決方案需要變壓器來隔離調(diào)光信號。由于是初級調(diào)光，調(diào)光控制比較復雜，不易實現(xiàn)。此外，由于PSR-CC而導致的相對較弱的CC調(diào)節(jié)是高端照明應用中的弱點。調(diào)光范圍也是該拓撲需要考慮的另一個問題。

1.2 雙級PSR-CV

基于單級解決方案和雙級PSR-CC解決方案，另一個適合無線路頻率電流紋波應用的新型雙級結構也隨之面世。該結構的重點在于將PFC級與反激式轉(zhuǎn)換級結合為同一級來實現(xiàn)眾所周知的PFC和隔離功能[2]。與PSR-CC相比，其主要區(qū)別在于該單級僅控制次級輸出電壓，并不控制輸出電流，因此被命名為PSR-CV。右邊是用于驅(qū)動或?qū)ED進行調(diào)光的DCDC級。如圖5所示，雙級PSR CV具有非常明顯的功能級： PFC功能在初級端實現(xiàn)，而LED驅(qū)動則在次級端實施，降低了電路的難度，簡化了電路設計。

圖5：雙級PSR-CV解決方案

雙級PSR-CV解決方案不僅維持了雙級PSR-CC的品質(zhì)，還具有許多其他優(yōu)點。首先，LED電流控制非常簡單，并且由于次級DCDC級直接控制了LED電流，該解決方案的LED電流也更加精確。其次，對于調(diào)光應用來說，任何介于0~10V之間的模擬調(diào)光或PWM調(diào)光均可在次級DCDC級無需任何隔離地輕松實現(xiàn)。第三，成本低于PSR-CC。與PSR-CC相比，我們可以認為該結構將PFC級移入了次級DCDC級。眾所周知，PFC級包含了高壓器件， 但在次級DCDC級中包含的卻是低壓器件。最后，PSR-CV解決方案給用戶提供了更高的靈活性。例如，我們可以在PSR-CV級中增加待機電源功能，來在LED未連接時實現(xiàn)低待機功耗?；蛘?，我們可以為多串應用選擇適合的DCDC。

該解決方案唯一的缺點是PSR-CV輸出電壓調(diào)節(jié)不是非常嚴格，但是我們可以通過選擇寬輸入范圍的次級DCDC來克服該問題。

2. PSR-CV工作原理

目前，PSR-CV通過在輔助繞組上控制電壓來實現(xiàn)。一旦控制了輔助繞組電壓，輸出電壓就可以通過變壓器耦合來設置。因此，為了擁有精確的輸出電壓，如圖6所示，我們需要直接控制輔助繞組端的電壓。

圖6：簡化了的精確PSR-CV控制

在整流二極管導通期間，輸出電壓與二極管前向電壓降的和在輔助繞組端反應為 (Vo+VF) ? Naux / Ns。由于二極管正向壓降隨著電流的減小而減小，輔助繞組端電壓在二極管導通時間結束時最能反映輸出電壓，此時二極管電流減小至零。通過在二極管導通時間結束時對繞組電壓進行采樣，可以獲得更精確的輸出電壓信息。

圖7：PSR-CV控制中的主要波形

由于輔助繞組端的電壓降在單次切換期間上下波動，我們需要先找出采樣點，然后使用采樣/保持電路，，之后再將感應電壓與內(nèi)部精密參考電壓進行比較。總之，控制邏輯比較復雜。

另一種比較容易實現(xiàn)的方式是如圖8所示，我們可以通過PFC控制器的誤差放大器來控制整流輔助繞組電壓。該方式的缺點是輸出電壓相對不那么精確。

圖8：簡單的PSR-CV控制

然而，這是在簡單控制與精密輸出電壓之間的一種折中。在雙級PSR-CV解決方案中，第一級的輸出電壓精密度并不是很重要，我們可以通過選擇寬輸入范圍的次級DCDC來克服該缺點。

3. 測試結果和波形測量

我們在具有OVP功能的單PFC控制器FL6961的基礎上制作了一塊評估板，該功能可進行更改，用于實施PSR-CV和具有極寬輸入范圍的高壓降壓控制器FL7701[3]。

圖9：PSR-CV加DCDC的完整解決方案

有了PSR-CV解決方案，我們可以輕松的生成一個次級CV電源，通過為次級端的輔助繞組加載來給MCU等其他附件進行供電。

通過PSR-CV Vcc調(diào)節(jié)，我們可以看到，在整個輸出負載范圍內(nèi)CV的精確度可以實現(xiàn)±4.25% CV容差。如果消除光負載電壓的漂移（由突發(fā)模式導致），CV精度將增加至±1.1%。

圖10：CV性能

通過使用FL7701，可以輕松地建立帶內(nèi)部模擬調(diào)光功能的降壓DCDC。因此完整的解決方案具有極低的紋波電流。

結論

本文介紹并開發(fā)了一種 新型雙級PSR-CV解決方案，在保證電路簡單、易于設計等品質(zhì)的同時，無線路頻率電流紋波且具有高功率因數(shù)。實驗結果表明，本文所建議的雙級PSR-CV解決方案是高端LED模擬調(diào)光和PWM調(diào)光應用的理想選擇。未來，我們將會增加新的功能，如在初級端增加待機電源來實現(xiàn)低待機功耗，以符合LED驅(qū)動器的發(fā)展趨勢。