可调光的高性能商业照明 LED 驱动芯片
方倩，翟向坤，方烈义
（昂宝电子（上海）有限公司，上海 201203）
摘要：昂宝电子最新推出的可调光高功率因数芯片 OB3338，能够接受数字调光的 PWM 信号转换为内部电流控制信号，实现 0～100% 连续输出调光。该芯片采用了专利的快速启动和总谐波优化技术，可以实现全电压范围内 <0.5 秒启动，总谐波（THD）<15% 的性能。介绍该芯片如何实现总谐波（THD）<12% 的原理，并实现 0～100% 宽范围输出并保证调光曲线的一致性。该芯片结构简单，系统性能优异，非常适合商业化 LED 智能照明应用。
关键词：PWM 可调光；高功率因数（PF）；低总谐波失真（THD）；LED 驱动电源
中图分类号：TN402；TN432 文章编号：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，方烈义.可调光的高性能商业照明LED驱动芯片[J]. 集成电路应用, 2018, 35(1): 23-26.
1 引言
随着 LED 照明的日益普及，各国政府对于 LED 照明的性能要求不断提高，除了对 LED 照明的节能高效之外，还要求 LED 照明灯具对电网具有友善接入性能，比如高 PF 值低 THD 指标，并且具有调光功能，这样一方面可以降低对电网的用电污染；另外，一方面可以进一步提高节能效果。
比如说低 PF 值的 LED 驱动虽然便宜，但是由于它只在交流市电的一个很短时间从电网抽取电流，使得在相同功率情况下，电网的峰值电流很高，一方面造成电网损耗加大，另外一方面也浪费了电网传输的功率；大量使用这样的低 PF 值 LED 灯具容易造成开关损坏，干扰其他电器工作，甚至电网损伤。而高 PF 值的 LED 驱动是在交流市电的整个周期内较宽的时间内抽取电流，降低了电网峰值电流，有助于降低电网干扰；而低 THD 特性的 LED 灯具，其抽取的电流是跟随电网电压全周期内等比例抽取，对电网和其他电器的干扰最小，非常适用于商业、医疗等环境应用。
在低功率因数的 LED 驱动电源里，可以采用简单的斩波方式调光，即输出电流根据调光的 PWM 信号在调光信号高时系统工作输出电流，调光信号低时暂停系统工作停止输出电流[1,2]。这种方式成本低，但容易在输出产生闪烁情况；而这种方式在高功率因数（PF）的控制方式下，很容易和交流工频信号（50 Hz / 60 Hz）产生更为严重的差频效应，使得输出频闪更为严重。
昂宝电子根据这一市场需求，研发推出了最新的可调光高功率因数（PF）低总谐波（THD）的LED 驱动电源[3]方案 OB3338[4,5]，很好地满足了调光和高功率因数低谐波的要求。
2 原理
2.1 原理分析
采用 Buck-boost 架构的高 PF 拓扑会比较容易实现较低的 THD，实现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较多，而固定 Ton 模式在 BOM 上优势较优，因此新方案采用固定 Ton 的较多,其典型的系统应用图如图 1 所示。
在 Buck-Boost 架构中，为了实现高效率（例如，效率＞100%）,系统往往工作在准谐振（QR）模式下。初级电流Ipk按照公式（1）被确定。
（1）
其中，Iin_peak 代表初级电流峰值，Ton 代表功率开关闭合期间的导通时间段，Vbulk 代表输入电压，并且 Lp 代表初级绕组的电感。
往往通过 CMP 电压与内部固定的三角波比较决定芯片导通时间 Ton。系统稳定工作时，CMP 引脚接大电容可以使 CMP 电压 Vcmp 变化缓慢，因此导通时间固定。
在反激拓扑中，原边峰值电流 Ipk 和 Vin 的关系为：
（2）
图 2， 降压型（Buck）高 PF 低 THD 实现原理。通过固定导通时间的工作方式可以获得高功率因数（PF）和低总谐波失真（THD）。
在实际的电路中，为了实现高效率，往往会采用准谐振（QR）的模式，并且由于 EMI 和电路实现的考虑，在输入端会有电容，这样，平均输入电流为：
（3）
其中 Lp 是主电感，Vbulk 是输入的电压，近似于输入 AC 波形。
（4）
在 QR 工作模式下，由于不同输入电压下退磁时间不同，因此 D×Ton 并不是一个常量，这也就表明以上系统的输入平均电流并非完全正比于输入电压，这样就会产生高次谐波分量。
2.2 算法仿真
对传统的固定 Ton 的系统进行仿真分析，以图 3 中绿色为输入电流波形，可以看到输入平均电流受到 D×Ton 的影响，产生了高次谐波，使得总的谐波 THD ＝ 11.67%。
如果将输入电流等式进行变换。
（5）
Ts 代表工作周期，包含 Ton 和退磁时间 Toff，通过以上公式进行电路设计控制来降低系统的谐波分量。图 4 先进行仿真分析。
可以看到输入平均电流更平滑，更近似于输入的电压正弦波形，通过优化得到的 THD 为 5.89%，相对传统方式有很大的改善。
3 主要特点
3.1 芯片框图
OB3338 是一颗高功率因数（PF）低谐波（THD）的离线式LED驱动控制芯片，该芯片支持PWM 信号输入，内部转换为模拟（Analog）控制，直接控制输出电流连续变化，很好地解决了高功率因数系统调光应用中控制信号和工频差频闪烁的问题。
图 5，芯片内部除了传统固定 Ton 控制方法进行高功率因数（PF）的 CMP、RAMP 控制外，还增加了昂宝专利的 THD 优化算法单元，进一步改善总谐波（THD）至 < 10% 的业内领先水平。另外该芯片还集成的待机控制单元（Standby control），用于当外部系统调光模块单元关闭调光信号之后，给系统调光模块进行供电，在系统调光模块功耗较低时可以省略市场其他方案所需的额外调光供电单元，可以为客户再节省成本。
3.2 典型应用
图 6 是 OB3338 的典型应用线路。从线路上看，OB3338 的典型线路和传统的非调光高功率因数系统相比并没有增加更多的外围零件，这得益于昂宝电子专利算法和设计能力，使得芯片的集成度增加，同时降低客户系统的复杂度。
在芯片启动时，传统的高功率因数系统会根据CMP 管脚外接补偿电容 CCMP 的电压去控制输出能量，这样会使得启动时间变长。OB3338 通过内部优化的算法控制输出能量，既使得系统能够快速建立输出电压，同时又能保证输出电流不产生过冲。图 7显示了输出电压和电流在启动时的波形。
4 测试结果
图 8、图 9 在一个采用 OB3338 的实际 42 V / 1.5 A 系统上进行测试。
从图中数据可以看到，采用 OB3338 的系统在全电压范围（100~264 Vac）很好地实现了极低的总谐波（THD）性能
一般来说，智能调光模块都是内含 MCU，采用PWM 的数字调光信号实现方便，成本也比较便宜。OB3338 可直接支持智能调光模组的 PWM 数字调光信号，在芯片内部将 PWM 数字信号转换成连续变化的输出电流控制，避免了其他方案可能出现的噪音和输出闪烁的问题。
图 10 是 OB3338 在 PWM 控制信号下，输出电流的曲线数据。
从图中可以看到 OB3338 通过芯片的优化设计使得在不同的电压下（100 V~285 Vac）输出电流的调光控制曲线一致性非常好，有利于智能灯具的批量生产和全地区应用。
同时 OB3338 采用了优化的准谐振（QR）控制模式，在全电压符合 EMC 的条件下达到了 240 V 输入电压优于 88% 的效率，在 100 V 输入电压下也能达到 84% 以上的效率。表 1，OB3338 在不同输入电压下的输出效率。
5 结语
OB3338 可直接支持 80 W 输出的应用规格，方便客户设计全功率范围内的各个系列机种。综合以上论述，昂宝电子推出的 OB3338 是一个非常适合商业智能调光应用的 LED 驱动方案，可广泛应用于从室内照明到室外路灯等多种商业智能照明灯具。
参考文献
[1] Abraham I. Pressman著，王志强等译.开关电源设计[M].电子工业出版社，2005.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社，2004.
[3] 方倩，兰聪，方烈义.宽输入范围高PF低THD的低系统成本LED驱动电源[J].集成电路应用,2017, 34(12): 33-36.
[4] 昂宝电子.OB3338datasheet[M].
[5] 昂宝电子.OB3338 Demo Board Manual[M].
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