led驅(qū)動(dòng)芯片

可調(diào)光的高性能商業(yè)照明 LED 驅(qū)動(dòng)芯片

方倩，翟向坤，方烈義

（昂寶電子（上海）有限公司，上海 201203）

摘要：昂寶電子最新推出的可調(diào)光高功率因數(shù)芯片 OB3338，能夠接受數(shù)字調(diào)光的 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 0～100% 連續(xù)輸出調(diào)光。該芯片采用了專利的快速啟動(dòng)和總諧波優(yōu)化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全電壓范圍內(nèi) <0.5 秒啟動(dòng)，總諧波（THD）<15% 的性能。介紹該芯片如何實(shí)現(xiàn)總諧波（THD）<12% 的原理，并實(shí)現(xiàn) 0～100% 寬范圍輸出并保證調(diào)光曲線的一致性。該芯片結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)性能優(yōu)異，非常適合商業(yè)化 LED 智能照明應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PWM 可調(diào)光；高功率因數(shù)（PF）；低總諧波失真（THD）；LED 驅(qū)動(dòng)電源

中圖分類號(hào)：TN402；TN432 文章編號(hào)：1674-2583(2018)01-0023-04

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2018.01.006

中文引用格式：方倩，翟向坤，方烈義.可調(diào)光的高性能商業(yè)照明LED驅(qū)動(dòng)芯片[J]. 集成電路應(yīng)用, 2018, 35(1): 23-26.

1 引言

隨著 LED 照明的日益普及，各國政府對(duì)于 LED 照明的性能要求不斷提高，除了對(duì) LED 照明的節(jié)能高效之外，還要求 LED 照明燈具對(duì)電網(wǎng)具有友善接入性能，比如高 PF 值低 THD 指標(biāo)，并且具有調(diào)光功能，這樣一方面可以降低對(duì)電網(wǎng)的用電污染；另外，一方面可以進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

比如說低 PF 值的 LED 驅(qū)動(dòng)雖然便宜，但是由于它只在交流市電的一個(gè)很短時(shí)間從電網(wǎng)抽取電流，使得在相同功率情況下，電網(wǎng)的峰值電流很高，一方面造成電網(wǎng)損耗加大，另外一方面也浪費(fèi)了電網(wǎng)傳輸?shù)墓β?；大量使用這樣的低 PF 值 LED 燈具容易造成開關(guān)損壞，干擾其他電器工作，甚至電網(wǎng)損傷。而高 PF 值的 LED 驅(qū)動(dòng)是在交流市電的整個(gè)周期內(nèi)較寬的時(shí)間內(nèi)抽取電流，降低了電網(wǎng)峰值電流，有助于降低電網(wǎng)干擾；而低 THD 特性的 LED 燈具，其抽取的電流是跟隨電網(wǎng)電壓全周期內(nèi)等比例抽取，對(duì)電網(wǎng)和其他電器的干擾最小，非常適用于商業(yè)、醫(yī)療等環(huán)境應(yīng)用。

在低功率因數(shù)的 LED 驅(qū)動(dòng)電源里，可以采用簡單的斬波方式調(diào)光，即輸出電流根據(jù)調(diào)光的 PWM 信號(hào)在調(diào)光信號(hào)高時(shí)系統(tǒng)工作輸出電流，調(diào)光信號(hào)低時(shí)暫停系統(tǒng)工作停止輸出電流[1,2]。這種方式成本低，但容易在輸出產(chǎn)生閃爍情況；而這種方式在高功率因數(shù)（PF）的控制方式下，很容易和交流工頻信號(hào)（50 Hz / 60 Hz）產(chǎn)生更為嚴(yán)重的差頻效應(yīng)，使得輸出頻閃更為嚴(yán)重。

昂寶電子根據(jù)這一市場(chǎng)需求，研發(fā)推出了最新的可調(diào)光高功率因數(shù)（PF）低總諧波（THD）的LED 驅(qū)動(dòng)電源[3]方案 OB3338[4,5]，很好地滿足了調(diào)光和高功率因數(shù)低諧波的要求。

2 原理

2.1 原理分析

采用 Buck-boost 架構(gòu)的高 PF 拓?fù)鋾?huì)比較容易實(shí)現(xiàn)較低的 THD，實(shí)現(xiàn)的方式有采用乘法器和固定 Ton的模式：乘法器方式外部零件較多，而固定 Ton 模式在 BOM 上優(yōu)勢(shì)較優(yōu)，因此新方案采用固定 Ton 的較多,其典型的系統(tǒng)應(yīng)用圖如圖 1 所示。

在 Buck-Boost 架構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)高效率（例如，效率＞100%）,系統(tǒng)往往工作在準(zhǔn)諧振（QR）模式下。初級(jí)電流Ipk按照公式（1）被確定。

（1）

其中，Iin_peak 代表初級(jí)電流峰值，Ton 代表功率開關(guān)閉合期間的導(dǎo)通時(shí)間段，Vbulk 代表輸入電壓，并且 Lp 代表初級(jí)繞組的電感。

往往通過 CMP 電壓與內(nèi)部固定的三角波比較決定芯片導(dǎo)通時(shí)間 Ton。系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，CMP 引腳接大電容可以使 CMP 電壓 Vcmp 變化緩慢，因此導(dǎo)通時(shí)間固定。

在反激拓?fù)渲?，原邊峰值電?Ipk 和 Vin 的關(guān)系為：

（2）

圖 2， 降壓型（Buck）高 PF 低 THD 實(shí)現(xiàn)原理。通過固定導(dǎo)通時(shí)間的工作方式可以獲得高功率因數(shù)（PF）和低總諧波失真（THD）。

在實(shí)際的電路中，為了實(shí)現(xiàn)高效率，往往會(huì)采用準(zhǔn)諧振（QR）的模式，并且由于 EMI 和電路實(shí)現(xiàn)的考慮，在輸入端會(huì)有電容，這樣，平均輸入電流為：

（3）

其中 Lp 是主電感，Vbulk 是輸入的電壓，近似于輸入 AC 波形。

（4）

在 QR 工作模式下，由于不同輸入電壓下退磁時(shí)間不同，因此 D×Ton 并不是一個(gè)常量，這也就表明以上系統(tǒng)的輸入平均電流并非完全正比于輸入電壓，這樣就會(huì)產(chǎn)生高次諧波分量。

2.2 算法仿真

對(duì)傳統(tǒng)的固定 Ton 的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以圖 3 中綠色為輸入電流波形，可以看到輸入平均電流受到 D×Ton 的影響，產(chǎn)生了高次諧波，使得總的諧波 THD ＝ 11.67%。

如果將輸入電流等式進(jìn)行變換。

（5）

Ts 代表工作周期，包含 Ton 和退磁時(shí)間 Toff，通過以上公式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)控制來降低系統(tǒng)的諧波分量。圖 4 先進(jìn)行仿真分析。

可以看到輸入平均電流更平滑，更近似于輸入的電壓正弦波形，通過優(yōu)化得到的 THD 為 5.89%，相對(duì)傳統(tǒng)方式有很大的改善。

3 主要特點(diǎn)

3.1 芯片框圖

OB3338 是一顆高功率因數(shù)（PF）低諧波（THD）的離線式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，該芯片支持PWM 信號(hào)輸入，內(nèi)部轉(zhuǎn)換為模擬（Analog）控制，直接控制輸出電流連續(xù)變化，很好地解決了高功率因數(shù)系統(tǒng)調(diào)光應(yīng)用中控制信號(hào)和工頻差頻閃爍的問題。

圖 5，芯片內(nèi)部除了傳統(tǒng)固定 Ton 控制方法進(jìn)行高功率因數(shù)（PF）的 CMP、RAMP 控制外，還增加了昂寶專利的 THD 優(yōu)化算法單元，進(jìn)一步改善總諧波（THD）至 < 10% 的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。另外該芯片還集成的待機(jī)控制單元（Standby control），用于當(dāng)外部系統(tǒng)調(diào)光模塊單元關(guān)閉調(diào)光信號(hào)之后，給系統(tǒng)調(diào)光模塊進(jìn)行供電，在系統(tǒng)調(diào)光模塊功耗較低時(shí)可以省略市場(chǎng)其他方案所需的額外調(diào)光供電單元，可以為客戶再節(jié)省成本。

3.2 典型應(yīng)用

圖 6 是 OB3338 的典型應(yīng)用線路。從線路上看，OB3338 的典型線路和傳統(tǒng)的非調(diào)光高功率因數(shù)系統(tǒng)相比并沒有增加更多的外圍零件，這得益于昂寶電子專利算法和設(shè)計(jì)能力，使得芯片的集成度增加，同時(shí)降低客戶系統(tǒng)的復(fù)雜度。

在芯片啟動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的高功率因數(shù)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)CMP 管腳外接補(bǔ)償電容 CCMP 的電壓去控制輸出能量，這樣會(huì)使得啟動(dòng)時(shí)間變長。OB3338 通過內(nèi)部優(yōu)化的算法控制輸出能量，既使得系統(tǒng)能夠快速建立輸出電壓，同時(shí)又能保證輸出電流不產(chǎn)生過沖。圖 7顯示了輸出電壓和電流在啟動(dòng)時(shí)的波形。

4 測(cè)試結(jié)果

圖 8、圖 9 在一個(gè)采用 OB3338 的實(shí)際 42 V / 1.5 A 系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試。

從圖中數(shù)據(jù)可以看到，采用 OB3338 的系統(tǒng)在全電壓范圍（100~264 Vac）很好地實(shí)現(xiàn)了極低的總諧波（THD）性能

一般來說，智能調(diào)光模塊都是內(nèi)含 MCU，采用PWM 的數(shù)字調(diào)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)方便，成本也比較便宜。OB3338 可直接支持智能調(diào)光模組的 PWM 數(shù)字調(diào)光信號(hào)，在芯片內(nèi)部將 PWM 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的輸出電流控制，避免了其他方案可能出現(xiàn)的噪音和輸出閃爍的問題。

圖 10 是 OB3338 在 PWM 控制信號(hào)下，輸出電流的曲線數(shù)據(jù)。

從圖中可以看到 OB3338 通過芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得在不同的電壓下（100 V~285 Vac）輸出電流的調(diào)光控制曲線一致性非常好，有利于智能燈具的批量生產(chǎn)和全地區(qū)應(yīng)用。

同時(shí) OB3338 采用了優(yōu)化的準(zhǔn)諧振（QR）控制模式，在全電壓符合 EMC 的條件下達(dá)到了 240 V 輸入電壓優(yōu)于 88% 的效率，在 100 V 輸入電壓下也能達(dá)到 84% 以上的效率。表 1，OB3338 在不同輸入電壓下的輸出效率。

5 結(jié)語

OB3338 可直接支持 80 W 輸出的應(yīng)用規(guī)格，方便客戶設(shè)計(jì)全功率范圍內(nèi)的各個(gè)系列機(jī)種。綜合以上論述，昂寶電子推出的 OB3338 是一個(gè)非常適合商業(yè)智能調(diào)光應(yīng)用的 LED 驅(qū)動(dòng)方案，可廣泛應(yīng)用于從室內(nèi)照明到室外路燈等多種商業(yè)智能照明燈具。

參考文獻(xiàn)

[1] Abraham I. Pressman著，王志強(qiáng)等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 方倩，蘭聰，方烈義.寬輸入范圍高PF低THD的低系統(tǒng)成本LED驅(qū)動(dòng)電源[J].集成電路應(yīng)用,2017, 34(12): 33-36.

[4] 昂寶電子.OB3338datasheet[M].

[5] 昂寶電子.OB3338 Demo Board Manual[M].

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LED顯示屏用LED驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品介紹 LED顯示屏作為一項(xiàng)高科技產(chǎn)品引起了人們的高度重視，采用計(jì)算機(jī)控制，將光、電融為一體的智能全彩顯示屏已經(jīng)在廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用。其像素點(diǎn)采用LED發(fā)光二極管，將許多發(fā)光二極管以點(diǎn)陣方式排列起來，構(gòu)成LED陣列，進(jìn)而構(gòu)成LED屏幕。通過不同的LED驅(qū)動(dòng)方式，可得到不同效果的圖像。因此LED驅(qū)動(dòng)芯片的優(yōu)劣，對(duì)LED顯示屏的顯示質(zhì)量起著重要的作用。LED驅(qū)動(dòng)芯片可分為通用芯片和專用芯片。

通用芯片一般用于LED顯示屏的低端產(chǎn)品，如戶內(nèi)的單、雙色屏等。最常用的通用芯片是74HC595，具有8位鎖存、串一并移位寄存器和三態(tài)輸出功能。每路最大可輸出35 mA的非恒流的電流。

由于LED是電流特性器件，即在飽和導(dǎo)通的前提下，其亮度隨著電流大小的變化而變化，不隨著其兩端電壓的變化而變化。專用芯片的最大特點(diǎn)是提供恒流源輸出，保證LED的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，消除LED的閃爍現(xiàn)象。具有輸出電流大、恒流等特點(diǎn)，適用于要求大電流、高畫質(zhì)的場(chǎng)合，如戶外全彩屏、室內(nèi)全彩屏等。其關(guān)鍵指標(biāo)有:

1、最大輸出電流:目前主流的恒流源LED驅(qū)動(dòng)芯片最大輸出電流多為每通道90 mA左右。每通道同時(shí)輸出恒定電流的最大值對(duì)顯示屏更有意義，因?yàn)樵诎灼胶鉅顟B(tài)下，要求每通道都同時(shí)輸出恒流電流。

2、恒流輸出通道數(shù):恒流源輸出通道有8位和16位兩種規(guī)格，現(xiàn)在16位占主流，其主要優(yōu)勢(shì)在于減少了芯片尺寸，便于LED驅(qū)動(dòng)板(PCB)布線，特別是對(duì)于點(diǎn)間距較小的LED驅(qū)動(dòng)板更有利。

3、精確的電流輸出:一種是同一個(gè)芯片通道間電流誤差值;另一種是不同芯片間輸出電流誤差值。精度的電流輸出是個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)LED顯示屏的顯示均勻性影響很大。誤差越大，顯示均勻性越差，很難使屏體達(dá)到白平衡。目前主流恒流源芯片的位間電流誤差( bit to bit )一般在±3%以內(nèi)，(chip to chip)片間電流誤差在±6%以內(nèi)。

4、數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘:其決定了顯示數(shù)據(jù)的傳輸速度，是影響顯示屏的更新速率的關(guān)鍵指標(biāo)。作為大尺寸顯示器件，顯示刷新率應(yīng)該在85Hz以上，才能保證穩(wěn)定的畫面(無掃描閃爍感)。較高的數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘是顯示屏獲取高刷新率畫面的基礎(chǔ)。目前主流恒流源驅(qū)動(dòng)芯片移位時(shí)鐘頻率一般都在15-25 MHz以上。