LM3444/LM3445 非隔离式LED照明应用改进型线性稳压解决方案

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发布时间：2013/10/28 11:33:00 来源：

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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Δ 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Δ LED电流变化受Rs（例如：2%容限）影响如下：

2、批量生产时Δ LED电流变化受Rup（例如：2%容限）影响如下：

3、批量生产时Δ LED电流变化受Cchar（例如：10%容限）影响如下：

4、批量生产时Δ 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Δ 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。