HVLED815PF：高效離線LED驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在LED照明領(lǐng)域，高效、緊湊且成本效益高的驅(qū)動(dòng)解決方案一直是工程師們追求的目標(biāo)。STMicroelectronics的HVLED815PF器件便是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)提供了一種高性能的解決方案。本文將深入剖析HVLED815PF的技術(shù)特性、工作原理以及應(yīng)用要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

HVLED815PF是一款高壓初級(jí)開關(guān)器，可直接從整流市電運(yùn)行，只需極少的外部元件，就能實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)（>0.9）。它將高性能低壓PWM控制器芯片和800V、雪崩耐用的功率MOSFET集成在同一封裝中，采用專利的初級(jí)感應(yīng)調(diào)節(jié)（PSR）技術(shù)，無需光耦，還能確保對(duì)LED串故障（開路或短路）的保護(hù)。

產(chǎn)品特性

• 高功率因數(shù)：功率因數(shù)能力大于0.9，能有效提高能源利用效率。
• 強(qiáng)大的功率MOSFET：內(nèi)置800V、雪崩耐用的6Ω功率MOSFET，確保在高壓環(huán)境下穩(wěn)定工作。
• 內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)：無需外部復(fù)雜的啟動(dòng)電路，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
• 初級(jí)感應(yīng)調(diào)節(jié)：±3%的恒定LED輸出電流精度，保證了LED亮度的一致性。
• 準(zhǔn)諧振操作：通過變壓器去磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振操作，降低開關(guān)損耗。
• 無需光耦：減少了元件數(shù)量，降低成本并提高可靠性。
• 故障管理：具備開路或短路LED串管理功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 自動(dòng)自供電：芯片能夠直接從整流市電獲取電源，尤其在恒流調(diào)節(jié)時(shí)非常有用。

產(chǎn)品規(guī)格

二、電氣特性與參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。HVLED815PF的一些關(guān)鍵絕對(duì)最大額定值如下：

• 漏源電壓（VDS）：-1至800V
• 漏極電流（ID）：1A
• 單脈沖雪崩能量（Eav）：在TJ = 25°C，ID = 0.7A時(shí)為50mJ
• 電源電壓（VCC）：在ICC < 25mA時(shí)具有自限功能

電氣特性

器件的電氣特性在不同的測(cè)試條件下有詳細(xì)的參數(shù)范圍，例如：

• 功率部分：漏源擊穿電壓（V(BR)DSS）在ID < 100μA，T = 25°C時(shí)為800V；關(guān)態(tài)漏極電流（IDSS）在VDS = 750V，T = 125°C時(shí)最大為80μA。
• 高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器：最小漏極啟動(dòng)電壓（VSTART）在ICHARGE < 100μA時(shí)為40 - 60V，VCC啟動(dòng)充電電流（ICHARGE）在VDRAIN > VSTART，V < VC_ON，T = 25°C時(shí)為4 - 7mA。
• 電源電壓：工作范圍在開啟后為11.5 - 23V，開啟閾值（VCC_ON）為12 - 14.8V，關(guān)閉閾值（VCC_OFF）為9 - 11V。

三、工作原理與模式

功率部分與柵極驅(qū)動(dòng)

功率部分確保在指定能量額定值內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全的雪崩操作，并具有高dv/dt能力。功率MOSFET的最小VDSS為800V，典型RDS(on)為6Ω。內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供受控的柵極電流，以最小化共模EMI。在欠壓鎖定（UVLO）條件下，內(nèi)部下拉電路將柵極保持在低電平，防止功率MOSFET意外導(dǎo)通。

高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器

高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器內(nèi)部包含一個(gè)800V額定的N溝道MOSFET，其柵極通過12MΩ電阻和14V齊納二極管偏置。當(dāng)電源施加到電路且輸入大容量電容器上的電壓足夠高時(shí)，高壓發(fā)生器開始工作，向VCC電容器提供約5.5mA的電流。當(dāng)VCC引腳電壓達(dá)到開啟閾值（典型13V）時(shí)，芯片開始工作，高壓發(fā)生器被切斷。當(dāng)VCC引腳電壓低于重啟閾值（典型10.5V）時(shí)，高壓電流發(fā)生器再次開啟，為電源電容器充電。

二次側(cè)去磁檢測(cè)與觸發(fā)模塊

去磁檢測(cè)（DMG）和觸發(fā)模塊在DMG引腳檢測(cè)到低于50mV的負(fù)向邊沿時(shí)，觸發(fā)功率MOSFET導(dǎo)通。在此之前，觸發(fā)模塊必須由超過100mV的正向邊沿激活。該功能用于準(zhǔn)諧振操作中的變壓器去磁檢測(cè)，DMG輸入信號(hào)來自變壓器的輔助繞組。為防止誤觸發(fā)，觸發(fā)模塊在MOSFET關(guān)斷后有一段消隱時(shí)間（TBLANK），其長(zhǎng)度取決于COMP引腳的電壓。

恒流操作

在恒流操作中，輔助繞組的電壓用于生成內(nèi)部MOSFET開關(guān)的控制信號(hào)。通過一個(gè)與輔助繞組串聯(lián)的電阻吸收與VILED/R成正比的電流，其中VILED是CLED電容器上的電壓。通過內(nèi)部的比較和控制電路，確保平均輸出電流穩(wěn)定，且不受輸入電壓、輸出電壓和變壓器電感值的影響，僅取決于變壓器匝數(shù)比和檢測(cè)電阻。

恒壓操作

IC通過對(duì)輔助繞組電壓的分壓來感應(yīng)輸出電壓。在變壓器去磁結(jié)束時(shí)，對(duì)DMG引腳信號(hào)進(jìn)行采樣保持，與誤差放大器的內(nèi)部參考電壓（典型2.51V）進(jìn)行比較。內(nèi)部誤差放大器為跨導(dǎo)型，其輸出電流與兩個(gè)輸入的電壓不平衡成正比，從而調(diào)節(jié)周期峰值漏極電流，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。COMP引腳用于頻率補(bǔ)償，通常連接一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定整體電壓控制回路。

電壓前饋模塊

為解決由于內(nèi)部傳播延遲導(dǎo)致的電流過沖問題，HVLED815PF實(shí)現(xiàn)了線路前饋功能。通過引入與輸入電壓相關(guān)的偏移量到電流檢測(cè)信號(hào)中，調(diào)整周期電流限制。前饋電流與輸入電壓成正比，通過合理選擇RDMG電阻，可以使峰值漏極電流和平均輸出電流不受輸入電壓的影響。在實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)時(shí)，需要最小化前饋電流。

無負(fù)載或輕負(fù)載時(shí)的突發(fā)模式操作

當(dāng)COMP引腳電壓低于內(nèi)部固定閾值VCOMPBM 65mV時(shí)，IC進(jìn)入突發(fā)模式，MOSFET保持關(guān)斷狀態(tài)，降低功耗。在突發(fā)模式下，每500μs進(jìn)行一次能量傳輸，輸出電壓下降后，控制器再次開啟MOSFET。如果采樣的DMG引腳電壓與內(nèi)部參考電壓比較后，誤差放大器輸出超過VCOMPL閾值，則設(shè)備重新開始開關(guān)操作，否則繼續(xù)保持關(guān)斷500μs。這種操作模式可以降低頻率相關(guān)的損耗，符合節(jié)能法規(guī)要求，且由于峰值電流低，不會(huì)產(chǎn)生噪音。

軟啟動(dòng)和啟動(dòng)模塊

軟啟動(dòng)功能由恒流模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過CLED電容器上的電壓限制初級(jí)峰值電流。在啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓為零，IC以恒流模式啟動(dòng)，避免高峰值電流操作，確保輸出電容器上的電壓緩慢上升。軟啟動(dòng)時(shí)間取決于變壓器匝數(shù)比、檢測(cè)電阻、輸出電容器和負(fù)載等電路參數(shù)，用戶可以通過實(shí)驗(yàn)確定最佳的CLED值。

打嗝模式過流保護(hù)（OCP）

內(nèi)部比較器持續(xù)監(jiān)測(cè)CS引腳電壓，當(dāng)該電壓超過內(nèi)部固定閾值VCSdis（典型1V）時(shí)，激活保護(hù)電路。為區(qū)分實(shí)際故障和干擾，首次觸發(fā)時(shí)進(jìn)入“警告狀態(tài)”，如果后續(xù)開關(guān)周期中再次觸發(fā)，則認(rèn)為是實(shí)際故障，設(shè)備停止工作。此時(shí)，VCC電容器電壓下降，當(dāng)?shù)陀赨VLO閾值后，清除鎖存，設(shè)備重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低頻率的間歇性操作，降低功率電路的應(yīng)力。

四、高功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)

電路原理

在高功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用原理圖中，通過在CS引腳添加兩個(gè)貢獻(xiàn)來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)能力和良好的線路調(diào)節(jié)。通過RPF電阻添加與輸入電壓成正比的貢獻(xiàn)，使輸入電流在市電周期內(nèi)與輸入電壓成正比，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正；通過ROS電阻添加與輸入電壓平均值成正比的正貢獻(xiàn)，以保持良好的線路調(diào)節(jié)。

元件選擇

元件選擇從RDMG電阻開始，其最大值受限于保證內(nèi)部電路正常功能所需的最小內(nèi)部電流IDMG。RFB電阻用于定義開路條件下的輸出電壓值。R1電阻通常選擇在500Ω - 1.5kΩ范圍內(nèi)，以最小化內(nèi)部前饋效應(yīng)和RA/RB電阻偏移電路的功耗。RA、RB、ROS電阻用于在CS引腳添加正偏移，以保持在輸入電壓范圍內(nèi)的良好線路調(diào)節(jié)。RPF電阻和RSENSE電阻可以根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行估算，以滿足所需的功率因數(shù)和平均輸出電流。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整元件值來優(yōu)化性能。例如，減小/增大RPF電阻值，功率因數(shù)效果會(huì)增大/減??；減小/增大ROS電阻值，線路調(diào)節(jié)效果會(huì)增大/減?。粶p小/增大ROS電阻值時(shí)，RA + RB電阻值應(yīng)相應(yīng)增大/減小以保持Cos電容器上的期望電壓；減小/增大RSENSE電阻值，平均輸出電流會(huì)增大/減小。

五、布局建議

正確的印刷電路板布局對(duì)于開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于HVLED815PF，應(yīng)注意以下布局要點(diǎn)：

• 電流檢測(cè)電阻（RSENSE）：應(yīng)盡可能靠近SOURCE引腳連接，同時(shí)保持GND走線盡可能短。
• CS引腳連接電阻（ROS、RPF、R1）：應(yīng)盡可能靠近引腳連接。
• 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（RCOMP、CCOMP）：應(yīng)盡可能靠近COMP引腳連接，保持GND走線短。
• 信號(hào)地和功率地：應(yīng)分開布線，與檢測(cè)電阻走線也應(yīng)分開。
• DMG分壓電阻（RDMG、RFB）：應(yīng)盡可能靠近DMG引腳連接，最小化DMG引腳上的等效寄生電容。

六、總結(jié)

HVLED815PF是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的離線LED驅(qū)動(dòng)器，具有高功率因數(shù)、多種保護(hù)功能和靈活的工作模式。通過深入了解其技術(shù)特性、工作原理和應(yīng)用要點(diǎn)，電子工程師們可以在實(shí)際設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、緊湊且成本效益高的LED驅(qū)動(dòng)解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇元件和優(yōu)化布局是確保系統(tǒng)性能和可靠性的關(guān)鍵。希望本文能為工程師們?cè)贖VLED815PF的應(yīng)用設(shè)計(jì)中提供有益的幫助，你在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些關(guān)于LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。