BCD 28V 2.15A LED Driver Solution Using AP1661

AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider1/18AP1661用于28V/2.15ALED照明灯管解决方案应用工程师上海新进半导体3/12/2009报告摘要规格85~265Vac,28V/2.15A应用LED办公照明及相关应用主要特点◆单级PFC拓扑高性价比方案◆高转换效率230V输入≥90%◆高精度电压精度≤2%，电流恒定精度≤3%◆高PF值230V输入≥0.95◆高可靠性，内置开路、过流以及短路保护◆低电流谐波，通过IEC61000-3-2AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider2/18目录1.简介………………………………………………………………………………..32.电气规格要求……………………………………………………………………..43.电路原理图及应用说明…………………………………………………………..53.1输入滤波电路………………...………………………………..…………….....63.2主功率MOSFET选择………………………..………………………….….…63.3输出电容选择…………………………………………………………….….…64.物料清单…………………………………………………………………………..75.变压器规格………………………………………………………………………..86.PCBLayout及注意事项...………………………………………………………..97.测试报告…………………………………………………………………………..97.1.测试项目………………………………………………………………………..97.2.基本电气性能测试……………………………………………………………..107.2.1.基本输出参数测试………………………………………………………107.2.2.输出电压电流波形……………………………………………………....107.2.3.输出纹波………………………………………………………………....107.2.4.开关机过冲………………………………………………………………117.2.5.开机延迟时间…………………………………………………………....127.2.6.输出上升时间……………………………………………………………127.2.7.输出短路测试……………………………………………………………127.2.8.动态负载测试……………………………………………………………137.2.9.温升测试…………………………………………………………………137.3EMC测试…………….………………………………………………………...147.3.1传导…………..……………………………………………………..…....147.4THD测试……………………………………………………………………15-187.5测试结果………………………………………………………………………...19AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider3/18一、简介近年来，基于LED的长寿命及环保特性，LED在许多国家照明及其它领域等到了广泛的使用。为了减少对交流电网的谐波污染，国际上推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC1000-3-2标准，它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量。为了使输入电流谐波满足要求，必须加入功率因数校正（PFC）。目前应用得最广泛的是PFC级＋DC/DC级的两级方案，它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能，但其缺点是电路复杂，成本高。以下这份文档是采用BCD半导体公司专业PFC控制芯片AP1661应用于LED照明灯管及相关应用的电源驱动解决方案。采用高性价比单级PFC反激拓扑结构，具有高PF值低谐波分量以及高转换效率等优点。此拓扑结构唯一不足之处就是输出电压存在较大的工频纹波（50Hz或60Hz），但是对于LED来说无关紧要。以下是整机实物图预览：图1、顶视图图2、底视图AP1661AP4313AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider4/18二、电气规格要求描述最小典型最大单位条件输入电压85264V频率4363HzPF0.9空载最大输入功率2W输出输出电压2830.24V输出纹波电压±10%20M带宽输出电流2.052.152.25A输出功率(Pno)60W效率全电压范围，满载85%保护功能输出短路保护有，自恢复输出过流保护有，自恢复输出开路保护有，自恢复其它THD过IEC61000-3-2EMI过EN55015标准并留有6dB裕量AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider5/18三、电路原理图及应用说明AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider6/183.1输入滤波电路。与常规电源中整流滤波电路不同的是，单级PFC拓扑取消了整流桥之后的大电解电容，使用一个高频特性较好的聚脂薄膜（CBB）电容，建议取值随输出功率成正比，本应用取0.47UF/450V一颗。因为取消大电解电容滤波使得整个变换器的母线电压不再是常规的直流高压电，而是两倍于输入交流频率fac的全波整流电压，如下图所示：3.2功率MOSFET(Q1)的选择MOSFET的选择，首先应确定其额定值电压(Vds)。在MOSFET关断期间，漏极与源极之间的峰值电压为：Vdspk()Vinmax()2⋅VoVf+()n⋅+Vspike+（1）式中：Vin(max)=265V；Vf为次级整流二极管(D4)的导通压降，Vf=0.7V；Vspke为漏感产牛的尖峰脉冲电压，选择Vspike=100V，留安全余量。将已知数据代入式（1）得：Vdspk()2651.414⋅280.7+()3.4⋅+100+572.29VS1可选择FCPF11N60F型N沟道MOSFET，其额定电压UDS=650V，额定电流ID=11A，导通态电阻RDS(on)=0.32Ω。3.3输出电容器的选择输出电容Co值由下式确定：Co2Po⋅Th⋅Vo2Vomin()2-（2）式中：Th为所需保持时间，即AC线路的周期时间，TH=1/50Hz=0.02S；Vo(min)为最低输出电压，选择Vo(min)=26V。将相关数据代入式（2）得：Co260⋅0.02⋅282262-22000uF因尺寸空间实际选择四个1000UF/35V高频低阻电容并联，实测输出纹波峰峰值约1.7Vp-p。AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider7/18四、物料清单AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider8/18五、变压器规格变压器T4是反激变换器中的关键元件，其设计关系到整机的工作性能优劣。变压器初级与次级绕组之间的匝数比n=Np/Ns，直接影响初级侧主开关管的最大电压值。为了减小输出反射到初级的电压，选择匝数比n≈3.4，初级Np=48匝，次级Ns=14匝。为了减小高度尺寸，选择TDKPQ3220PC40磁芯。同时为了减小漏感产生的尖峰脉冲电压，应尽可能降低变压器的漏感从而增强偶合，初级与次级绕组采用交错绕法即三明治绕法。具体方法是：先绕初级的24匝(一层)，接着绕次级14匝，然后再绕初级剩下的24匝，按该法绕制，漏感可明显减小。另外初级绕组的电感值Lp=470uH。详细规格如下：AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider9/18六、PCB布线PCBLayout视图布线原则：1、功率地与控制信号地分开并单点接地。2、大电压及大电流变化率的走线尽量短而宽，以减小电磁干扰。3、旁路电容尽量靠近芯片供电脚。整体机械尺寸L×W×H＝127×36.5×20mm，适用于外置驱动LED照明灯管以及相关应用场合。七、测试报告7.1测试项目NO.测试项目条件，规格判定备注7.2．基本电性能测试7.2.1基本输出参数测试满足规格书的要求满足7.2.2输入电压电流波形满足7.2.3输出纹波输入电压90V和264V，满载要求≦±10%满足7.2.4开关机过冲输入电压90V和264V，负载空载、满载，要求≦±10%满足7.2.5开机延时输入电压90V和264V，满载要求≦2S满足7.2.6输出上升时间输入电压90V和264V，满载满足7.2.7输出短路保护满足规格书的要求满足7.2.8输出动态负载测试满足规格书的要求满足7.2.9温度测试满足7.3.EMC测试7.3.1传导测试EN55015满足7.4.THD测试7.4.1THD测试IEC61000-3-2满足7.5测试结果规格要求满足AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider10/187.2基本电气性能指标的测试7.2.1基本参数测试输入电压(Vac)满载输入电流(1A)满载输入功率（W）满载PF值（0.9）恒压28V输出电流（2.05~2.25A）满载效率（85%）空载输出电压(28.80~30.24V)满载输出纹波(2.8Vp-p)900.7869.40.9892.1687.15%29.31.781150.6068.10.9892.1688.81%29.31.722300.3066.30.9552.1691.22%29.31.62640.2766.20.9372.1691.36%29.31.58标准：是否满足规格书的要求判定：满足7.2.2输入电压与电流波形90V输入，满载输出264V输入，满载输出7.2.3输出纹波90V输入，满载输出264V输入，满载输出标准：2.8VDC判定：满足AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider11/187.2.4开关机过冲90V输入，空载输出264V输入，空载输出90V输入，满载输出264V输入，满载输出标准：30.24VDC判定：满足AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider12/187.2.5开机延时90V输入，满载输出264V输入，满载输出标准：2.0S判定：满足7.2.6输出上升时间90V输入，满载输出264V输入，满载输出标准：是否满足规格书的要求判定：满足7.2.7输出短路保护测试要求：长期短路后，移除短路保护条件，应能正常工作。标准：是否满足规格书的要求判定：满足AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider13/187.2.8输出负载跃变测试在0%~100%~0%负载时进行负载跃变测试，观察输出电压的变化。电流变化的速率为0.1A/us。电压过冲最大值小于30.24V。115V输入，输出满空载跃变264V输入，输出满空载跃变标准：是否满足规格书的要求判定：满足7.2.9温度测试测试条件：恒温60℃恒湿90%整机工作2H稳定后，记录数据如下表Item90Vac115Vac230Vac264VacU1(AP1661)82.1℃81.4℃85.8℃86.7℃BR1(GBU4K)93.4℃88.6℃84.7℃83.4℃T4(PQ3220)113.0℃111.2℃107.3℃104.7℃Q1(F10NK60ZFP)106.2℃102.5℃95.1℃94.7℃D4(UF1604FCT)108.4℃104.8℃100.4℃100.8℃AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider14/187.3.EMC传导测试标准：是否满足EN55015要求，并留有6dB裕量判定：OKAnalogICSandPowerManagementSolutionProvider15/187.4THD测试AnalogICSandPowerManagementSolutionProvider16/18AnalogICSandPowerM