基于RM3260T的图腾柱LED驱动电源

基于RM3260T的图腾柱LED驱动电源熊本刚工程师作者单位：广东省珠海市华赛电子科技有限公司研发部邮编：519000摘要：RM3260T芯片是一款高性能离线式脉冲频率调制PFM电源管理IC，该芯片应用了原边检测反激Boost拓扑技术，省掉了光耦和恒流处理芯片，就是在这款新型微电路基础上，提出了一种利用外挂图腾柱驱动电路实现电流放大,提升驱动功率的产品设计方案，实现了由小功率到大功率的提升。关键词：RM3260T；脉冲频率调制PFM；图腾柱；一、系统概述本方案提出了一款输出功率达到55W的高效率（η≈90%）全电压工作范围的LED恒流照明电源，设计标准符合EN61347-2-13（LVD）的要求；其特点是：工作效率高，节能效果好，温升低；可实现输出短路保护，过压-过流保护，欠压保护，防雷、防浪涌保护等；该电源可以在室内使用也可以在室外使用，室外使用的防护等级达到IP67标准。电路设计巧妙，应用简单，成本极低，量产后经济效益可观，该产品已批量上市。二、单元电路分析1、AC输入及整流单元电路原理分析123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:FUSE250V/3AAC90-264VAC1V+3AC2V-4DB1DB310SNLCX10.1UF/280VT1UU9.8/30MHCX20.1UF/280VRZ8D-11CY1102/400VR171MR181MDC-DC+VR10D471图一原理分析：图一所示电路是由压敏电阻、热敏电阻、π型滤波器和桥式整流单元组成；压敏电阻VR是用来吸收高压输入的放电火花，热敏电阻RZ是为了实现功率电路的软启动（限制开机时的浪涌电流），π型滤波器是用来实现EMI滤波功能，以消除共模干扰，桥式整流电路是交流到直流（AC-DC）的转换。2、保护逻辑及辅助电源电路原理分析123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:C3224/25VQ112N60R11MR91KR21MR333ΩR53.2KR1033KT2PQ2620D6US1MC410UF/50VR11-R131.5Ω*3R820ΩDC+DC-电流检测VCC采样电压开启电压欠压锁定软启动VDD6COMP5INN4CS3GATE2GND1IC1RM3260T图二原理分析：图二所示的开启电压是指在开机瞬间整流桥堆输出的DC电压通过R1、R2向芯片VCC引脚瞬间供电，当VCC电压高于芯片的欠压锁定电压时瞬间启动。欠压锁定是靠变压器的辅助绕组供电，供电电阻为R3，当芯片VCC的供电电压低于开启电压时MOSFET被强制关断，同时进入重启状态，等待下次开启。采样电压是通过变压器副边绕组的两个电阻R5和R10的分压来提供，分压后的电压通过芯片的INV脚采样，当采样电压低于2V时，系统进入恒流状态。电流检测是采用逐周期电流检测后的脉冲频率控制PFM方式实现的，是通过检测RM3260T芯片CS脚外接电阻R9的电压来实现。3、脉冲频率调制PFM单元电路原理分析123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:2V基准PFM控制器PFMEA时钟控制器电流采样电压采样线补恒流控制栅极驱动VCC-6GATE-2GND-1INV-4COMP-5CS-3脉冲频率控制PFMRM3260T图三原理分析：图三所示的PFM电路在RM3260T芯片内部，为了方便描述，画出了PFM单元电路框图，本设计采用原边反馈控制（PSR）技术实现恒流（CC）的精确控制，无需光耦，由次级反馈电路和环路补偿电路即可实现系统稳定、并可靠地工作。PFM的工作原理是，芯片的工作频率通过系统的工作模式来自我调节，在断续反激工作模式下其最大输出功率由下式计算：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:Po=1__2×L××FIpp2式中Lp为变压器原边电感量，Po为输出功率，F为工作频率，Ip为原边峰值电流。由此看出，若改变变压器原边电感量可以改变最大输出功率，但为了考虑系统的安全性和工作模式的需要，开关频率必须锁定，锁定后的工作频率F由如下关系式体现。式中TDEMAG为反激变压器恢复时间（即恢复半周期），而该时间与电感量Lp成反比。4、DC-DC功率单元电路原理图及概述123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:C5222/1KVC6\R7220U/63V*2Q112N60R410ΩR91KR53.2KR1033KT2PQ2620D7UF5404D5M7D6US1MC410UF/50VCY1102/400VR11-131.5Ω*3ODC-(LED-)R6\R6A200K*2R1433KR720ΩR1610ΩC8331/1KVDC+DC-INVGATECSSGND功率转换功率驱动ODC+(LED+)DC-INDC-OUT图四原理分析：图四所示由控制电路，保护电路、辅助电源和功率转换四部分组成，系统的转换效率和保护特性都在该DC-DC电路中实现。DC-DC功率转换过程是在不连续工作模式下，输出电压由原边绕组来决定，当MOSFET导通时负载电流由输出滤波电容提供，原边电流呈斜坡上升，变压器储存能量，当MOSFET关断时，储存在变压器磁芯的能量由原边传递到副边，这种电流、电压传递过程完全是由隔离变压器与MOSFET按照一定的谐振频率稳定工作并实现能量传递，这就是DC-DC功率转123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:=2×FTDEMAG1换的工作原理。三、图腾柱电路描述及理论分析123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:VDD6COMP5INN4CS3GATE2GND1U1RM3260TC3224/25VQ112N60R410ΩD6US1MC410UF/50VR11-131.5Ω*3Q2S8050Q3S8550R720ΩR8220ΩT2图腾柱电路图五⑴、电路描述：图五所示图腾柱放大电路由两个三极管Q2和Q3构成，上管是NPN型三极管，下管是PNP型三极管；NPN型三极管的集电极接变压器辅助绕组供电输出端，与R7相连，与芯片共用同一VCC，供电电压为20V，该电路从直流角度看是串联的，两对管共射联接处为输出端，本电路结构类似于乙类推挽功率放大器OCL。⑵、理论分析：图六所示芯片GATE输出的方波信号正负两个半周（高-低电平）分别由推挽输出级Q2、Q3的两“臂”轮流运算放大，每一“臂”的导电时间为脉冲的半个周期，方波脉冲的工作频率为25-50KHz（该频率根据负载的不同而变化）。电路工作的逻辑过程是，高电平输入，上管导通下管截止，输出高电平；低电平输入，下管导通上管截止，输出低电平；当电路逻辑的上下两管均截止时，则输出为高阻态。在开关电源电路中，类似的电路常称为“半桥”。图腾柱简化及等效电路图如下：（图七）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:Q2S8050Q3S8550图腾柱电路简化图VCC+Gate/INGate/OutGNDQ112N60T2CgsMOSFET123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Nov-2012SheetofFile:F:\亚成微RM系列电源设计\RM3260T-35-40W\HC-45900KV.DDBDrawnBy:Q2Q3IoVoViVCC+20VMOS管等效图R4CgsVCC+20VR4CgsVgsVgsIo图六图七⑶、理论计算如下：A、工作状态分析静态：Vi=VoQ2、Q3均不工作，Vo=0V动态：Vi=H(高电平)Q2导通、Q3截止；Vi=L(低电平)Q3导通、Q2截止；两只三极管分别在半个周期内工作，该电路的工作原理类似于乙类推挽功放。由等效电路可知：驱动电流Io=C×（Vgs÷Dt）=(Vcc-Vgs)÷R，由此推出如下关系式：Vcc=Vgs*(1+RC/Dt)∵て=RCDt,∴Vcc≈Vgs由此看出，从直流电压的角度来考虑，只要Vcc电压正常，并大于MOSFET的门电压，足以使MOSFET永远工作在开/关状态，本电路VCC电压设计值为20V。B、电流放大倍数在上述电路中：R8为图腾电路的输入电阻，R8取值为100Ω；R4为图腾电路的输出电阻取值为10Ω。为了便于理解和推广，避开繁琐的数学计算，在正常工作状态下，直接测量图腾电路的输入电阻R8和输出电阻R4两端的峰值电压，通过测量的峰值电压来初略计算电路的输入和输出端的峰值电流，以此验证引入电路的实际效果。①、测试R8的电压波形计算图腾电路的输入峰值电流，计算过程如下：测量结果：∵Vip=3.0V,R=100Ω（设计值）∴Iip=Vip÷R8=3÷100=30mA；②、测试R4的电压波形计算图腾电路的输出峰值电流，计算过程如下：测量结果：∵Vop=9.6V,R=10Ω（设计值）∴Iop=Vop÷R4=9.6÷10=960mA。由此可见，图腾逻辑电路的输出峰值电流Iop是输入峰值电流Iip的32倍。四、本图腾柱照明电源常规性能测试见下表：交流输入输入功率输出电压输出电流输出功率转换效率AC230V55.60WDC49.80VCC1006mA50.10W90%五、结论本文提出了一种图腾柱Boost拓扑的LED驱动电源设计，解决了该系列芯片驱动能力不足，转换效率偏低的技术问题，突破了常规小功率驱动芯片在中大功率电源系统中应用的技术难题。通过系统分析，理论推算，电路设计，试验验证直致推向市场，证明了此方案的可行性。该类产品广泛应用于30-50W珠宝灯电源、LED面板灯电源和LED投光灯电源等项目中，由于本电路的设计巧妙，性能稳定，创新理念强，性价比极高。参考文献1、RM3260T中文规格书西安亚成微电子公司20122、模拟电子技术基础王卫东20103、大功率LED道路照明系统设计及驱动电源的研究孔镇20124、开关电源中的功率级拓扑分析与设计张兴柱2009