具有 TRIAC 亮度調節功能的 7W 單級 PFC LED 照明設計
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本報告介紹了具有TRIAC亮度調節功能的7W AC/DC LED照明驅動器的參考設計。該解決方案采用具有一次側恒定功率控制的單級功率因數校正（PFC）反相拓撲。文章為您介紹功率轉換器的完整分析與設計。最后，我們還為您提供了基于7W應用獲得的實驗結果。對該設計進行簡單修改，便可適用于其他應用。
引言
本PMP4304A參考設計是一款使用TI TPS92210 LED照明功率控制器的TRIAC亮度調節單級功率因數校正LED驅動器。本LED應用主要針對PAR燈泡更換，其擁有小體積、低成本、高PF和高TRIAC亮度調節性能。
該解決方案采用帶有一次側恒定功率控制的單級功率因數校正（PFC）反相轉換器。它在沒有光耦合器的情況下，在單級反相拓撲中實現了一次側恒定功率控制。這種驅動器可使用高線壓AC或者低線壓AC工作。輸出可提供350mA的恒定電流，以驅動6支串聯LED。
工作原理
2．1 功率因數校正單級反相轉換器
這種單級功率因數校正轉換器采用隔離式反相AC/DC拓撲，它把AC輸入線壓整流為輸入正弦電流的DC輸出。單級反相拓撲被廣泛用作隔離式LED解決方案，因為它擁有非常低的BOM成本和高效率。
圖1 單級反相轉換器
傳統的單級反相解決方案均采用轉換模式來按時調節常量，以實現PFC功能。但是，轉換模式的反相拓撲并非為自然PFC，因為占空比和頻率經常變化。因此，PF和THD在這種條件下的準確性并不高。
但是，一次側恒定功率單級反相是一種自然PFC。
首先，輸入電壓可設置為：
那么，利用方程式2可計算出平均輸入電流。
通過方程式1和2，輸入功率計算如下：
在一次側，恒定功率方案為：
在方程式4中，K為常量，K的值取決于系統總功率。
當Vin的RMS變化時，占空比反向變化。當Vin的RMS受限時，占空比不再變化。因此，當系統穩定時，占空時間和占空度恒定。
與此同時，為了保持恒定功率，系統保持在相同的開關頻率下。
由于Ton、L、f和Vin均為常量，因此輸入電流為方程式2的自然正弦。
另一方面，輸入功率也為方程式3的常量。
總之，我們可以看到，在這種應用中，相比傳統的方案，一次側恒定功率單級方案擁有一定的優勢。首先，一次側恒定功率方案是一種自然的PFC，其PF和THD均優于傳統方案。其次，顧名思義，一次側恒定功率方案僅受一次側控制。因此，可以把光耦合器排除在外，從而達到低成本BOM。
2.2 TPS92210控制器和系統運行
就TPS92210控制器而言，有一個OTM引腳，其可以通過連接它的電阻器來控制Ton時間；詳情如下：
為了實現一次側恒定功率控制，我們使用下列電路，如圖2所示。
圖2 一次側恒定功率控制的前饋電路
假設Vin_rms = x，Ton和Vin_rms之間的關系可計算如下：
該公式可簡寫為方程式7：
為了滿足一次側恒定功率控制的要求( Vrms *Ton = K)，選擇B=0。同時，可根據輸入功率選擇A和C。
圖3為7W舉例計算以后的模擬結果。輸入電壓變高時Ton時間變小。與此同時，輸入功率必須保持恒定。
圖3 Ton時間vs Vin_rms和輸入功率 vs Vin_rms
3 7W離線恒定功率LED照明驅動器設計
3.1 設計規范
表1 電氣設計規范
規范項目 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
輸入AC 電壓 | 180Vac | 220Aac | 265Vac |
輸出電流容限 | 347mA | 356mA | 372mA |
LED 數量 | 6 | ||
功率因數 | 0.975 | 0.944 | 0.902 |
無 TRIAC 調節的效率 | 80.90% | 81.50% | 81.20% |
3.2 原理圖
圖4 PMP4304A原理圖
3.3 PCB布局
圖5 電路板組裝圖—層1
圖6 電路板組裝圖—層2
3.4 效率
圖 7 效率與輸入電壓的關系
3.5 線壓調節
圖 8 輸出電流與輸入電壓
3.6 功率因數
圖 9 功率因數與輸入電壓的關系
3.7 TRIAC亮度調節性能
表2 不同亮度調節器導通角的輸出電流
圖10 輸出電流與亮度調節器導通角的關系
圖 11 不同導通角的輸入電流與輸入電壓
4 結論
本文分析了一次側恒定功率控制單級反相LED驅動器，并介紹了使用基于TPS92210的一次側控制的優勢。同時，我們還實施了一款實際的7W設計。它體現了TPS92210解決方案的諸多好處，如小外形尺寸、低成本、高PF和高TRIAC亮度調節性能。
參考文獻
1、《TPS92210產品說明書》，LED照明功率控制器
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