高PF和低THD的线性恒流驱动芯片ACS0804
    室内照明LED灯具,因LED灯珠的封装技术地不断创新而成本大幅下降;因采用高集成度、应用简洁的PSR隔离和非隔离开关恒流电源技术,高压线性恒流电源技术而使LED驱动电源的成本也大幅下降;高导热塑料散热器的介入,提供了使用非隔离电源LED灯具新的安全技术。因此,大众照明需要的平价LED照明灯具将在2013年得到快速发展,预计2014年和2015年将达到生产和市场销售的高峰。平价LED照明灯具是全世界平民百姓用得起的新一代节能照明灯具,它将是现代电子产品中的生产量和需求量最大的海量产品。中外LED产业链厂商无不摩拳擦掌、积极应对,竞相开发相关产品,努力挤入这个海量市场,尽力摄取尽可能大的市场份额“大蛋糕”。1 PF(功率因数)与THD(总谐波失真)LED照明灯具的驱动电源追求高PF(Power Factor功率因数)和低THD(Total Harmonic Distortion,总谐波失真)既是客户的希望也是电力系统的要求。美国能源之星和国际电信委员会(ICE)规范LED驱动芯片必须具备高功率因数校正(PFC)功能,以确保LED灯具的转换效率和灯具寿命。功率因数PF是有功功率与视在功率之比,功率因数的大小与电路的负荷性质有关,如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1.功率因数是电力系统的一个重要的技术数据,功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低说明电路用于交变磁场转换的无功功率大,从而降低了设备的利用率,增加了线路供电损失。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在,如LED驱动使用的开关电源、开关恒流源都离不开变压器和电感器,以及电解电容器。功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例,因此任何用LED灯具的功率因数都不可能大于1.LED灯具因LED光源灯珠必须依靠直流电压、直流电流才能正常工作,LED灯珠必须给予恒定的直流电流才能稳定的安全发光。LED灯具,将交流市电输入后由桥堆进行整流,就得到脉动直流电压,若不将脉动电压进行任何加工,就直接提供给LED灯珠,脉动直流中的残余交流分量就会使LED发光产生闪烁,毫无疑问,LED灯具无法正常工作。虽然这时灯具的功率因数接近于1,但是发光效果是不能接受的。为了让LED灯具电路能正常工作,必须向其提供平滑了的直流电压。这个“平滑”工作必须由接在灯具AC整流器后面的滤波电容器来完成。这个滤波器就像一个水库,电容器里面必须储存足够数量的电荷,在整流半波之间的空白时,使电路上的工作电压仍不间断,能保持正常电平。也就是说,即使在两个脉动半波之间无输入电能时,Uc的电压电平也无显著的变化,这个功能是靠电容器内的储能来实现的,储存在电容器内的这部分能量就是无功功率。所以说,LED灯具是靠无功功率的支持,才能保证电路正确运用有功功率实现正常使用。因此,LED灯具不但需要有功功率,也需要无功功率,两者缺一不可。电源回路中的残余开关电源的工作频率和电网的工频及倍频又会引起总谐波失真。LED灯具电源引入高压线性恒流新一代电源技术,无电源的开关变换,因而也就无本身的开关频率残余,纹波也将大大降低;应用电路无变压器等磁性器件和电解电容器,线性电源的PF因此提高,THD因此下降。2 高PF和低THD高压线性恒流驱动芯片高PF和低THD高压线性恒流驱动芯片因其应用电路简洁高效和应用低成本,将会成为室内平价LED灯具驱动电源首选之一。ACS0804是一款技术创新的高PF和低THD高压线性恒流驱动芯片,适用于较宽的交流输入电压范围;芯片内部集成四个MOSFET,通过一个外部电阻可以设定工作电流20~100mA,采用分段点亮技术,依次点亮由四组高压LED模组串联成的LED光源负载,高压LED模组串的正向电压VF可按需设计、配置灵活,在AC220V电压输入时,最大驱动功率可达10W.优化高压LED模组串的VF配置,可使整个LED灯具的功率因数高达0.99,效率大于90%,低谐波含量THD低于15%.芯片采用紧凑的SOIC8LD引脚封装,小封装将更适用于一体化光电模块的应用。ACS0804的典型应用如图1所示。ACS0804具有过温保护功能,当驱动电源芯片的结温超过指定的热阈值(TJ-MAX=150°C),芯片会将LED光源自动关闭,等温度降低后再自动恢复。ACS0804可以用来设计制造LED照明灯具所需要的非隔离线性恒流驱动电源,可以用于庭院灯,嵌灯,筒灯、球泡灯、日光灯、蜡烛灯等。ACS0804还适合于TRIAC调光,可以使用不同类型的三端双向可控硅调光控制开关,无论是前沿调光器,还是后沿调光器,或者使用控制交流线路电平的电位器调光器,均可适应。基于芯片内部所有的LED电流吸收器,LED电流能自动紧跟AC线路电压变化的全部阶段。使用ACS0804可使的LED照明系统实现较高效率,较高的功率因数和较低的THD. ACS0804也可用于变阻器调光开关,适合于台式灯具或室内灯具。3 ACS0804芯片的拓扑结构ACS0804的内部拓扑框图如图2所示,由过零检测器、并联稳压器、过温保护、PWM发生器、LED参考电流源和四个内置MOSFET组成。ACS0804是一个分四段点亮的高压线性恒流驱动芯片,Vin端直接整流桥堆输出的高压脉动直流,芯片Vin端内部集成高电压电流吸收器。电路上电时,Vin端电压高于内部基准,随着AC正弦波的上升,四个高压LED模组依次导通,相应的内置MOS留有输出电流扩展的空间,每个LED通道的MOS电流自动达到预先设置的恒流电流值的电流水平和维持水平,直至下一个的通道的MOS电流达到其设定的电流值。在AC正弦波上升的任何时域,只有一个活动的LED通道。当激活该通道输出恒流后从这个通道走向相邻的下一个通道时,新的激活通道电流逐渐增加,而在现有的活动通道的电流略有减小,相互补偿,后一通道与前一通道自动实现了平滑LED电流的变化。这种平稳的过渡降低频率的谐波含量,具有提高功率因数和改善EMI的特点。通过充分利用现有MOS的扩展空间,ACS0804能提供其最大功率,较高的效率,较高的功率因数,低谐波失真在。通常情况下,功率因数可高达0.99,THD可低于15%.系统效率在很大程度上取决于整个LED模组串的VF电压配置。ACS0804工作时,经桥堆整流的脉动直流高压,沿着正弦波的上升,依次点亮第一串(LED1)、第二串(LED2)、第三串(LED3)、第四串(LED4)的LED灯珠。由于是在瞬间完成依次点亮整个光源板上的LED,加上人眼的惰性,使人感觉几乎没有闪烁。ACS0804的输出功率分布如图3所示,黑色是交流正弦波的包络线,红色是高压脉动直流电的包络线。脉动直流电的包络线内图示颜色表示正在使用的输出功率,鲜绿色区域是LED1的直流功率,黄色区域是LED2的直流功率,粉红色区域是LED3的直流功率,青绿色区域是LED4的直流功率;白色区域是无效功率区,白色区域面积越小,电源的效率就越高。4 ACS0804的电流设置ACS0804的应用电路十分简洁,典型应用方案电路中只有二个附加元器件,一个是设定高压LED光源模组电流的贴片电阻,一个是VDD电压的滤波电容器。LED光源模组电流设定的电阻值计算方法如下:
      RISET=VAC×6600/1.4×LED Power
      其中,VAC是AC电源的RMS有效值(均方根)和LED电源必需的LED功率,6600在方程中是LED4的通道的电流通过的RISET电阻的电流增益的因数。公式中的1.4系数是正常的LED模组配置驱动ACS0804的波峰因数。根据LED模组的配置,相对于LED模组组态方案中实际需要的RISET电阻值需要经峰值因数而调整。
一个CVDD电容器是提供给内部并联稳压器一个稳定的电压,和滤去纹波。5 高压LED模组VF电压设计为了提高使用高压线性恒流驱动芯片的LED照明灯具的效率,四个高压LED模组串联后VF总电压设计应接近于AC市电经整流后的脉动直流电压值。以10W的LED光电模板为例(图4),输入电压为AC220V,选择单组VF=63V的LED光源模组,四组串联后的总VF=63V×4 =252V,与AC220V经桥堆整流后得到的脉动直流280V比较接近。效率等于输入电压与负载电压之比,因此可获较高效率。设计好LED模组串的VF总电压配置很重要,建议输入电源AC220V时,VF总电压为260~280V,输入电源为AC120V时,VF总电压为130~140V.ACS0804设计应用方案时,LED光源负载需注意以下参数不能超越:VF的最大VIN=+500V,LED1-3最高电压+500V,LED4最高电压+200V,RISET最高+6V,最大结温(TJ-MAX)+15℃,使用工作结温(TJ)-40℃至+125℃.ACS8040的电气特性为:表1的ACS0804电气特性规格是在T=25℃,VIN=220VAC,RISET=100kΩ的条件下测试的。LED在此正向电流的基础上,每通道段LED串的正向电压VF=65V,总的LED正向电压为65V×4通道=260V.LED灯自动关闭的结温与LED灯具内腔体的温度有关,即与LED光源灯板的散热、腔内空气的热阻以及PCB布局有关。在实际应用设计中应注意LED灯板的散热面积、驱动电源芯片的散热、PCB的散热齐乐娱乐,发热关键部件必须采取特殊的降温措施。6 ACS0804的引脚功能ACS0804的引脚功能描述如下:VIN—脉动直流输入电压端。该引脚连接到一个桥式整流器整流后的脉动直流电压端。VDD内部电路的并联稳压器。该引脚提供电流到内部电路。17.4V分流稳压器内部连接到该管脚,建议应添加一个旁路电容,以减少来自VIN的噪音。RISET:设置供给LED模组的电流。请参考电阻器设定方程来决定合适的电阻值。
      LED1-4:LED通道输出,连接到LED模组阴极。
      GND:接地,是配合这个引脚直接连接到本电源电路的地。
      EP:裸露散热焊盘,必须与PCB板铜箔紧密焊接,以利芯片内部四个MOS管散热。EP连接到IC内部GND。
应用设计需要注意ACS0804采用带散热焊盘EP的SOIC8LD封装,因内部集成4个高压MOS管,需要采用底部铜支架裸露作焊盘散热EP,因此在此芯片的底部有金属的GND pad,需要与PCB的大面积散热铜箔紧密焊接,以获得最佳的导热效果。ACS0804的引脚端如图4所示,芯片的EP接地焊盘如图5所示。7 应用方案简洁兼容性强分段点亮非隔离线性恒流LED驱动电源最大的优点是体积小、成本低、高功率因数和长寿命,没有变压器和电感器,也没有电解电容器;PFC可达0.90-0.99.缺点是LED光效利用率稍微低一些,一般为70%~90%;还有一定的使用局限性,即输入电压范围需要在20%的范围之内,输出LED灯珠电压也需要在10%的范围之内,否则效率会不理想。因此,在用高压线性恒流驱动芯片做LED照明驱动电源设计时,需要针对不同的AC电源使用电压、不同的LED灯具的功率和不同的线性驱动芯片做不同的应用电路方案设计。ACS0804芯片针对设计应用于不同的AC电源电压、不同的LED灯具的功率具有独特的优点,在AC220V和AC110V输入电压不同,LED灯具功率不同时,可以使用同一个应用电路方案,同一块PCB板,如图6所示,AC120V电源、4W功率的LED照明灯具方案,和图7 AC120V、8W功率的LED照明灯具方案中,两个应用方案的输入电源电压相同,输出功率不同,在同一应用方案中,仅仅是改变了RISET的电阻值,4W功率时电阻是140kΩ,8W功率时电阻是69.8kΩ.在AC220V输入电源时,4W和10W的不同功率,也可通用这个应用电路,也只需要改变这个RISET电阻值即可,输入220V电源,4W功率时用261kΩ电阻(图1),输入220V,10W功率时用100kΩ电阻(图3)。这对工业化大批量生产的工厂来说十分方便的,原材料管理也是十分方便和简约。ACS0804的光电模块与高导热塑料散热器组成的LED球泡灯实物如图8所示,从图中可以看出,整个灯具的结构相当简洁,符合高性价比、低成本的平价LED灯设计、制造和市场的要求,适合于灯具制造工厂大批量生产。所附带的小长方板PCB主要是对输入电源端的浪涌电压、电流和EMC进行处理。8 结束语高压线性恒流驱动技术将在散热性能较好的高电压(VF)、小电流(IF)的HVLED模组中得到广泛的应用,配合高导热塑料散热器解决了灯具的安全技术,方便了整灯的过认证测试。采用HVLED模组和高压线性恒流驱动电源方案的5W平价LED球泡灯制造成本有望控制在RMB15元以内。因此与低成本的PSR隔离和非隔离开关恒流源一起,将共同促进大众LED照明需要的平价LED照明灯具海量生产和销售。由于平价LED灯的价格与荧光节能灯相近,平价LED灯在价格、寿命、节能、环保几方面均颇具竞争力,一般消费者一定会乐于购买使用。预计大众照明需要的平价LED照明灯具将在2013年得到快速发展,2014年和2015年将达到生产和市场销售的高峰。参考文献
      1 《ACS0804 Datasheet》.ACS
      2 颜重光.《室内LED照明驱动电源技术浅析》.2012;11
      3 颜重光.《基于DS6622高压线性恒流电源设计技术》.2012;11
      4 颜重光.《MY一体化光电引擎》.2012;12
 
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    收录时间:2013年08月08日 18:56:51 来源:未知 作者:颜重光
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