基于iW3614的LED調光電源設計

鞠耀武

(賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103)

0 引 言

能源緊張的趨勢，使得各國在對產品的節能要求上不遺余力。調光不僅是居家生活所需，而且可以達到節能減排的目的。相比傳統節能燈、熒光燈而言，LED具有天生的調光優勢，兼容占據調光主流市場的可控硅調光器，實現LED無閃爍調光是LED驅動市場所需。

1 可控硅調光的工作原理

圖1是可控硅調光器的工作原理圖，VR1、R2和C2構成RC延遲電路，當C2上的電壓達到DB3的擊穿電壓時，Q1導通，電路形成回路。通過調節可變電阻VR1阻值的大小，可以調整調光器的導通角，從而改變加在LED驅動上的供電，進而達到調光的目的。對于可控硅來說，導通后有一個最小維持電流的要求，要想獲得好的調光效果，這個維持電流是所有可控硅調光芯片設計的關鍵所在。

圖1 可控硅調光工作原理圖

2 iW3614的工作原理分析

2.1 啟動

如圖2、圖3所示，電源接通后，UBUS通過Uin腳和Ucc之間的二極管對C4進行充電，當Ucc超過啟動門限電壓UCC(ST)(12 V)時，內部的Start_up模塊的使能信號Enable起作用，將Uin腳的MOS管打開，Uin腳和Ucc之間的二極管截止，UBUS不再對C4充電，此時C4開始對IC進行供電，flyback開始運行，此時如沒有故障發生，Ucc將由輔助繞組產生的電壓維持。在啟動過程中，IC提供軟啟動功能，IC的PWM的占空比是從小到大逐漸增加的。

為降低功耗，同時縮短啟動時間，增加電阻R9、R10，二極管D5以及耗盡型MOS管Q3。這樣，對Ucc電容的充電就來自于兩部分，一路是UBUS電壓通過Uin腳和Ucc之間的二極管，另一路是UBUS電壓通過R9、R10、Q3及D4。當Ucc電壓超過UCC(ST)后，Uin電壓被拉低，Q3也被截止，這樣就不會產生額外的功耗。

圖2 iW3614內部功能框圖

2.2 相位檢測

如圖4，在啟動后的三個周期通過Uin腳對輸入電壓的波形進行檢測，確定是否接入了調光器，接的調光器是前切相還是后切相。這個動作是通過Uin腳的正弦電壓和內部的一個基準電壓0.14 V進行比較，產生一個Ucross的方波電壓。Uin腳通過一個2.5 kΩ電阻接地，它和輸入啟動電阻一起分壓，實時地再現了輸入端電壓的波形。為了判斷輸入電壓的頻率，IC需要做兩件事情，一是確定電源的工作周期，二是確定導通角。因為Ucross方波電壓的周期就是電源的工作周期，IC通過檢測Ucross電壓相鄰的兩個上升沿確定電源的工作周期Tperiod，而導通時間Ucross是通過內部的程序控制來實現的，Uin>0.14 V時，Ucross電平置高，Uin<0.14 V時，Ucross電平置低，這個高電平的時間就是Tcross。Tcross和Tperiod相比較足夠小的時候，IC認為有調光器存在。對Uin的波形進行求導，當導數值比較大時，認為是接入了前切相調光器。

圖3 iW3614調光驅動電原理

圖4 調光相位檢測

2.3 Chopping電路

如圖3所示，Chopping電路由D1、D2、D3、C2、C3、L1、R3、R8、Q1等組成，原理很簡單，Q1導通時，L1儲存能量，Q1截止時，L1通過D3向C3釋放能量。電路在初始化調光器的三個周期內(約30 ms)，chopping電路的MOS管一直導通，接入的Bleeder電阻為調光器提供一個純阻性的負載。當初始化調光器階段完成過后，flyback開始穩定工作，經過20個AC周期后會有一次調光器的二次確認過程，這個過程和初始化階段是一樣的，chopping電路一直導通。相位的計算公式如下：

(1)

Dimmer Phase值是為了得出一個決定LED輸出電流的參數Dratio，

Dratio=Dimmer Phase×K1-K2

(2)

式中，K1=1.768；K2=0.238

當Dimmer Phase低于0.14時，Dimmer Phase被鉗位在0.14，Dratio=1.768×0.14-0.238=1%

當Dimmer Phase高于0.70時，Dimmer Phase被鉗位在0.70，Dratio=1.768×0.70-0.238=100%

設Iisense(nom)為100%的LED輸出電流時的值，Iisense為實際的LED輸出電流值；

Iisense=Iisense(nom)Dratio

(3)

Q1的導通時間在有調光器和無調光器的情況下是不同的，具體由下面的計算公式決定：

Ton=8us-4.4us/UUin(無調光器)

(4)

Ton=4us-2.2us/UUin(有調光器)

(5)

斬波電路的工作頻率和Uin的值是有關的

Tp=12.2us+8.8us/UUin

(6)

當Ucross處于低電平的時候，Q2一直導通。當Ucross處于高電平的時候，Q2的導通時間由公式(4)決定，工作周期由公式(6)決定。

2.4 谷底檢測

如圖3所示，iW3614這個芯片的谷底檢測是在Usense腳實現，通過輔助供電繞組將變壓器的去磁過程再現，通過R4、R5連接到Usense腳，內部通過一定的處理來偵測谷底，而且iW3614的谷底偵測是隨機的，通過觀察Usense的波形可以看到，只有在Usense波形有變化的時候，MOS管才開通，而且Usense波形的變化是沒有規律的，隨機的。

2.5 保護功能

iW3614這款芯片內置的保護功能非常齊全，當Uin>1.8 V時，輸入過壓保護，IC進入重啟模式，檢測8個周期，如果Uin電壓還是超過1.8 V時，繼續認為過壓，直到過壓情況消除。

輸出過壓保護則通過Usense腳實現，Usense<1.538 V，IC正常工作，Usense>1.538 V時，IC會將PFC關斷，只有當Usense>1.7 V時，IC進入自動重啟模式。輸出短路保護也是進入自動重啟模式，而且是自動重啟三次。

除上述保護功能外，iW3614還具有過溫保護功能，它是通過VT腳接一個NTC電阻來實現的，過溫的表現是線性降低輸出電流來實現。

3 參數計算

3.1 變壓器的設計

3.1.1 確定匝比

反激電源變壓器設計的關鍵是根據MOS管的電壓來選擇反射電壓值UOR，然后根據輸出電壓來選擇匝比：

(7)

3.1.2 確定磁芯

變壓器磁芯選擇，理論計算有AP法，也可根據經驗選擇，這樣磁芯的截面積Ae就確定下來了，再結合產品尺寸選擇合適的磁芯。

3.1.3 確定初級電感量

根據能量守恒原理，有一個最小的電感量限制，這個要求flyback工作在DCM模式，有：

Pinη=Po?UinIinη=UoIo

(8)

另外，對于反激拓撲來說，會有一個最大的伏秒限定，就是有一個Tonmax，這時，反激應該工作在臨界導通模式，根據flyback的原理，電感上的電流波形是一個三角波，得出：

(9)

根據伏秒平衡

UINTon=N(Uo+Uf)Tr

=N(Uo+Uf)(Ts-Ton)?

[UIN+N(Uo+Uf)]To

=N(Uo+Uf)Ts?

(10)

根據經驗，一般會把頻率設定在60～80 kHz之間，這樣可以計算出一個電感量的范圍。Bs通常取值通常在0.25～0.3 T之間，這樣可以兼顧磁芯性能及其經濟性。最后可以反向算一下頻率等參數。至于變壓器的繞法，可依據EMI效果、轉換效率等指標選擇合適的方案。

3.2 PFC電感量的選擇

PFC電感量沒有一個準確的計算公式可遵循，因為iW3614的PF控制是開環的，Ton時間是固定的，Q2的Us電壓頂上來的時候，Q2會進入線性區，這樣Q2的溫升會比較高。提高PF的基本原則是增加chopping的導通時間。

4 結束語

iW3614芯片使用了獨特的數字控制技術，它能檢測調光器的類型和相位，能兼容市場主流的可控硅調光器，實現無閃爍調光，通過本文對iW3614芯片工作過程及關鍵器件的設計方法介紹，能幫助設計人員快速掌握iW3614在調光驅動上的應用。