HV9931 功率因数LED驱动器设计

1 引言 高亮度和超高亮度LED的发展引发了照明工业的一场革命。半导体光源以其高可靠性和高效率在许多场合已替代了白炽灯泡。LED的许多应用要求离线电源驱动，提供恒定DC输出电流、低DC输出电压和单位功率因数(即输入功率因数等于1或接近于1)。传统的解决方案是采用回扫找变换器拓扑结构，但该方案需要电源变压器。
Supertex公司推出的固定频率PWM控制器HV9931提供了简单无变压器电流源变换器解决方案。HV9931利用单级PFC降压一升压(buck-boost)和降压(buck)拓扑控制LED灯，无需电源变压器，可从85～264Vac的通用输入驱动LED灯，并获得单位功率因数和高降压比。HV9931非常适合于需要功率因数校正(PFC)和低输入电流总谐波失真(THD)的LED照明应用，例如交通信号、路灯、装饰照明、建筑照明和离线LED灯等。

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2 引脚功能及主要特点
HV993l采用8引脚SOIC和DIP封装，引脚排列如图1所示。引脚功能如表1所列。

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HV9931的主要特点如下：
●利用一个单级PFC降升压一降压拓扑驱动和控制LED灯；
●恒定输出电流；
●较大的降压比；
●获得单位功率因数和低输入电流谐波失真；
●固定频率或固定关断时间操作；
●内置450V的线性稳压器；
●输入和输出电流感测，输入电流限制；
●可实现PWM和相位调光及模拟调光。
3 功能与工作原理
基于HV9931的离线PFC LED驱动器电路工作原理如图2所示。

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HV9931驱动的是一个单级单开关非隔离恒流输出降升压-降压(buckboost-buck)电源变换器。AC线路输入通常为85～264Vac，经全波桥式整流后直接加至VIN脚(该脚上的DC输入电压为8～450Vac)，经内部高压稳压器电路，产生7.5 V的VDD电压。VDD电压可做为电流感测比较器的参考。内部稳压器带欠压保护电路，只要VDD脚上的电压低于6.5 V，HV9931即关断。VDD脚上的旁路电容CDD≥1μF，要求其有低ESR。在VDD脚外部施加一个高于7.5 V的电压也可使HV9931工作，在此情况下，内部线性稳压器将截止。
连接在RT脚与CATE脚之间的电阻RT用于设置恒定关断时间Toff：

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如果RT连接在RT脚与地之间，RT值将设置开关频率FS：

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RS1和RS2为电流感测电阻。RS1和RS2上的电压(-VS1与-VS2)分别经RVS1与Rref1、RCS2与Rref2组成的分压器分压，输入到电流感测比较器的反相端(CS1和CS2)。比较器的电流感测门限由负电流感测信号来编程。当CSl脚或CS2脚上的电压低于地电平时，GATE脚上的输出脉冲将终止。脚CS2内部的比较器负责输出电流调节。通过LED的输出电流IO可利用下式计算：

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式中：△iL2为L2的峰-峰值电流纹波。通常△iL2=0.3iL2。
CS1脚内部比较器限制输入电感L1的电流iL1，其电流门限可按式(4)计算：

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式中：iL1(PK)为L1的最大峰值电流。
HV9931的PWMD脚连接到VDD，栅极驱动器使能，电路正常工作。若PWMD脚接地或开路，栅极驱动器截止，MOSFET(Q1)关断。若在PWMD脚施加一个TTL兼容方波信号，可以获得PWM调光。在额定输出电流下。当PWM占空比为5％时，LED亮度降低50％，PWM频率应高于100 Hz，以使人眼看不到频闪。通过施加5％的LED电流，采用模拟(线性)调光，也可获得50％的亮度。HV9931还能实现相位调光。根据标准墙上调光器的相位控制波形，经PWM脚或VIN脚可使HV9931截止，中断输出LED电流。
单级单开关非隔离无变压器buckboost-buck电源拓扑由两部分组成：L1、Cl、Dl和D4组成输入buckboost级，它与L2、D2、D3和C0组成的输出buck级相级联。两个变换器级共用一个功率开关Q1。输入buckboost级工作在不连续导电模式(DCM)，输出级则在连续导电模式(CCM)运行。系统步降(step-down)比为两个变换器级步降比之乘积。于是，不用变压器就可获得高降压比。
在系统加电后，桥式整流电压使Q1导通，L1中的电流线性增加。同时，电容C1为输出降压级加电，流过L2的电流也线性增加。iL1的电流通路为：D4→L1→Q1→RS1；iL2的电流路径为：C1正端→Q1→RS2→LED→L2→D2→C1负端。
当Q1关断时，D1正向偏置，输入电感电流iL1转入到C1，电流流向为：D4→L1→C1→D1；同时，流过L2的电流流过D3，iL2流向为：L2→D3→LED。Ll中的电流线性下降，只要一降为零，D1则反向偏置，阻止iL1流动。在Q1再次导通之前，iL1=0的时间为L1的死区时间。此时，iL2继续流动，直到降至零后新的开关周期开始，Ql导通。在AC线路周期之内，可以认为开关占空因数D和开关频率?s不变，于是，峰值L1电流iL1(pk)和平均输入电流直接与输入电压成正比：

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式中：Reff为有效输入电阻。
L1中的峰值电流iL1(pk)正比于输入电压，平均输入电流呈正弦波形。因此，可获得单位功率因数和低输入电流谐波失真。
4 主要元件的选取
设LED电源变换器的AC输入电压为80～260Vac，输出电流IO=750 mA，输出电流纹波为±10％，输出电压VO=25 V，THD<20％，开关频率?s=100 kHz，效率η=76％，主要元件的选择如下。
4.1 RT的选择
TS=1／fs=1／100 kHz=10μs，若Toff=8μs，由式(1)得：
RT(kΩ)=Toff(μs)×25-22=8×25-22=178 kΩ
4.2 电感器L2电感值的确定
若允许峰-峰值纹波电流△iL2=0.3iL2=0.3×0.75A=0.225 A，L2中的峰值电流为：
iL2(pk)=iL2+1／2(△iL2)=0.75A+1／2(0.225A)=0.86A
设输入级效率η1=0.85，输出buck级效率η2=0.9，总效率η=η1η=η2≈0.76。L2值可按下式计算：

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4.3 RS2和RCS2的选择
输出电流感测电阻RS2的功率消耗设定为0.25W，RS2=0.25 W／I20=0.25w／(0.75A)2≈0.44Ω。RS2可选用0.47Ω／0.5 W的电阻。根据式(3)得：

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4.4 计算输入电感L1值
输入电感器电感值按式(8)计算：

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4.5 确定RS1和RCS1值
最大峰值电流iL1(pk)发生在最低线路电压VAC(min)上，可以计算在VAC(min)下的D=0.41，iL1(pk)值为：

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若允许RS1在VAC(min)下的功耗为0.1 W，下式成立：

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由式(10)可得：RS1≈0.332Ω，功耗为0.25 W。
将峰值输入电流限制在iL1(pk)的120％，并选择Rref1=100 kΩ，根据式(4)得：

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4.6 选择C1值
C1值可利用下式计算：

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式中，参数δ=31，?ac=50 Hz，η2=90％，系数K3=0.15，IO=0.75A，VO=25 V。计算出：C1≈31μF。
电容C1上的电压根据式(12)计算：

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式中：VC1(max)为260 Vac输入下C1上的电压，δmax为260 V下的最大值，δmax=146。将有关数据代入式(12)得：

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式中，系数Kc(min)=0.032。根据式(12)可得：

VCl(pk)=(1+0.032)x182≈188 V
因此，C1可选用33μF／200 V的电容。
4.7 功率器件的选择
通过简单计算，Q1的漏一源极电压可达500 V，Q1选用800 V、2A的SPPO2N80C3，其RDS(on)=2.7Ω，栅极电Qg=12nC，二极管Dl选用BYD57K(800V，1A，trr=75 ns)，D2和D3选用BYD57J(600 V，1A，trr=30 ns)，D4选用BYD57G(400 V，1A，trr=30 ns)，此外，输出电容C0选取1 μF／50 V。
5 结束语
HV9931是为高亮度LED串供电的通用AC输入非隔离恒流源控制IC。该固定频率PWM控制器利用一个单级PF buckboost-buck专利拓扑为LED负载提供恒定输出电流，满足输入AC电流谐波限制标准，获得接近1的功率因数。

学习学习下

晕，跟LED驱动9931一样的名称。