LED照明以其高節能、長(cháng)壽命、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。國內許多地方已經(jīng)有應用于功能性照明領(lǐng)域的成功案例。我國半導體照明應用技術(shù)漸漸走在了世界的前列，隨著(zhù)國家和地方政府的政策鼓勵，許多地方在室外照明如：路燈、景觀(guān)照明等；室內照明如：地鐵、地下車(chē)庫、博物館；特殊場(chǎng)合照明：如低溫照明、礦燈照明、汽車(chē)燈等方面被應用廣泛。一些傳統照明企業(yè)開(kāi)始投資轉型LED燈具。LED室內照明和應用技術(shù)上正在突飛猛進(jìn)。室內照明無(wú)疑是個(gè)巨大的市場(chǎng)，市場(chǎng)前景毋庸置疑。相信在2010年會(huì )在家居照明中占據較大的市場(chǎng)份額。
室內照明最普遍的燈具就是E27、GU10、PAR30、PAR38等AC220V高壓直接輸入的LED射燈。E27、Gu10 LED射燈需要AC直接變換成DC的LED恒流源，才能驅動(dòng)高亮度LED光源發(fā)光。目前還不能提供單個(gè)SoC的集成電路產(chǎn)品，大多數是采用原邊或副邊反饋的開(kāi)關(guān)電源方案。但是原邊反饋的方案存在輸出電流精度不高的問(wèn)題，一般都在+-5%左右。而采用副邊反饋的反激式恒流驅動(dòng)方案，輸出電流精度可達+-2%.
可用于副邊反饋的反激式恒流驅動(dòng)方案的驅動(dòng)IC很多，本文將詳細介紹基于PT4201控制芯片的離線(xiàn)式LED射燈設計技術(shù)。
1W-30W離線(xiàn)式高亮度LED驅動(dòng)控制器PT4201
PT4201是一款工作于電流模式、可驅動(dòng)1W至30W照明或射燈的高亮度LED驅動(dòng)控制器，適用于1W至30W的各種LED照明和射燈應用，包括E27、PAR30、PAR38等�；�于PT4201的隔離式光耦反饋的高亮度LED驅動(dòng)系統具有恒流精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、無(wú)閃爍和EMI輻射低的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。在正常工作狀態(tài)下控制器的振蕩頻率可以通過(guò)外部電阻精確設定。同時(shí)，PT4201的前側消隱電路幫助克服外部功率器件開(kāi)啟瞬間的電壓毛刺，能有效避免控制器的誤動(dòng)作造成的LED燈閃爍。內部集成的電流斜率補償功能提高了系統穩定性。
PT4201提供完善的保護功能以提高LED照明系統的可靠性，包括逐周期過(guò)流保護（OCP）、VDD過(guò)壓保護（OVP）以及VDD欠壓保護（UVLO）等。OUT輸出脈沖高電壓被嵌制在18V保護外部功率MOS.短路保護功能防止LED負載短路時(shí)損壞系統。
PT4201提供SOT-23-6封裝，引腳排列見(jiàn)圖1.

圖1 PT4201引腳排列
PT4201基本功能描述
PT4201集成了多種增強功能，并以其極低的啟動(dòng)和工作電流、多重保護功能為小功率LED照明驅動(dòng)提供性能優(yōu)良可靠的低成本解決方案。
啟動(dòng)及UVLO：
PT4201通過(guò)一個(gè)連接到高壓線(xiàn)上的電阻Rstart對連接在Vdd腳上的電容Chold充電實(shí)現啟動(dòng)。在上電之初，Chold電容上的電壓為0，PT4201處于關(guān)斷狀態(tài)，從Rstart上流下的電流對Chold進(jìn)行充電從而使Vdd電壓升高，當Vdd腳電壓達到芯片啟動(dòng)電壓VDD-ON之后PT4201開(kāi)始工作，工作之后流進(jìn)Vdd電流增加，由輔助繞組開(kāi)始對芯片進(jìn)行供電。
優(yōu)化設計的啟動(dòng)電路使PT4201啟動(dòng)之前VDD只消耗極低的電流，這樣可以選用比較大的啟動(dòng)電阻Rstart從而改善整機效率。對于一般的通用輸入范圍的應用，一個(gè)2Mohm，1/8W的電阻和一個(gè)10uF/50V的電容可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的啟動(dòng)電路（圖2）。

圖2 PT4201啟動(dòng)電路
電流反饋及PWM控制：
PT4201采用光耦檢測輸出LED串的電流并通過(guò)改變輸出脈沖占空比達到輸出電流控制目的。如圖3所示，當LED電流達到設定值時(shí)，LED電流在采樣電阻R2上的壓降達到光耦發(fā)光管導通電壓，發(fā)光管導通使FB電壓下降，PT4201根據FB電壓的大小改變輸出脈沖占空比實(shí)現恒定電流輸出。

圖3光耦電路
LED開(kāi)路：
LED負載開(kāi)路時(shí)，流過(guò)穩壓管的電流在電阻R1和R2上產(chǎn)生一個(gè)壓降使光耦發(fā)光管被打開(kāi)，使PT4201的FB降低。當FB降低到一定程度時(shí)PT4201進(jìn)入突發(fā)模式，整個(gè)系統進(jìn)入低功耗模式。因此LED燈開(kāi)路是安全的。
LED短路及采樣電阻短路保護：
當LED負載發(fā)生短路時(shí)，光耦發(fā)光管兩端電壓等于輸出電壓，由于輸出功率很小因此整個(gè)系統工作是安全的。當采樣電阻發(fā)生短路時(shí)，由于光耦發(fā)光管兩端電壓為零，發(fā)光管不導通導致FB電壓快速爬升到保護閾值。在Rosc為100Kohm情況下，過(guò)32mS后PT4201將自動(dòng)關(guān)閉。

工作頻率設定：
PT4201的Rosc引腳為設定PWM頻率提供了方便，用一個(gè)電阻接在Rosc引腳和GND之間可以對PWM頻率進(jìn)行設定（圖4）。PWM頻率與設定電阻之間的關(guān)系遵循以下關(guān)系：Fosc=6500/Rosc.FOSC單位KHz，Rosc單位Kohm.

圖4工作頻率設定
PT4201在正常工作時(shí)會(huì )周期性地改變PWM工作頻率進(jìn)行頻率抖動(dòng)，周期性改變的頻率把EMI傳導干擾擴展到更寬的頻譜范圍內從而降低了傳導段的EMI干擾。
電流采樣以及前沿消隱：
PT4201的CS引腳的功能之一是采樣外部MOSFET電流進(jìn)行電流斜率補償；二是提供逐周期的MOSFET過(guò)流保護功能。PT4201通過(guò)采樣與功率MOSFET串聯(lián)的采樣電阻來(lái)采樣流過(guò)MOSFET的電流，流過(guò)MOSFET的電流在采樣電阻Rcs上轉換成電壓信號，CS上電壓和FB電壓共同決定了PWM脈沖占空比。
在PWM每個(gè)導通周期當CS引腳的電壓超過(guò)內部門(mén)限電壓時(shí)MOSFET將立即被關(guān)掉防止過(guò)流對器件的損傷。過(guò)流門(mén)限電壓與MOSFET的電流可由以下關(guān)系確定：IOC=Voc/Rcs
其中IOC為MOSFET電流，Voc為過(guò)流門(mén)限電壓，Rcs為采樣電阻大小。內部過(guò)流的門(mén)限值與PWM占空比大小有關(guān)，當PWM占空比為0時(shí)，過(guò)流門(mén)限值為0.80V.

圖5省略RC濾波器
由于變壓器副繞組整流電路反向恢復時(shí)間以及初級繞組寄生電容等因素影響，在每一個(gè)PWM周期開(kāi)啟瞬間會(huì )在采樣電阻上產(chǎn)生一個(gè)持續時(shí)間很短的尖峰電壓。為此PT4201會(huì )在MOSFET開(kāi)啟后屏蔽CS采樣輸入一段時(shí)間TBLK，在這段時(shí)間內，過(guò)流保護被關(guān)閉不會(huì )關(guān)掉外部MOSFET.這樣可以避免MOSFET開(kāi)啟瞬間在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓毛刺而造成誤動(dòng)作。PT4201提供的這種功能可以省去電流采樣電路所需的RC濾波器（圖5）。
VDD過(guò)壓保護
當系統發(fā)生嚴重故障時(shí)，例如對于光耦開(kāi)路或者反饋開(kāi)路的情況，光耦輸出電流接近零致使FB端電壓上升。FB電壓上升將會(huì )使PT4201工作在過(guò)流保護狀態(tài)，因為有多余的電流供給負載，如果超出了負載所需電流大小會(huì )使輸出電壓迅速爬升。由于輔助繞組的電壓與輸出電壓成一定的比例，輸出電壓升高引起輔助繞組電壓升高進(jìn)而使VDD電壓升高，當PT4201檢測到VDD引腳電壓達到過(guò)壓保護點(diǎn)時(shí)會(huì )關(guān)閉PWM.當OVP被觸發(fā)時(shí)由于沒(méi)有能量供給負載及輔助繞組，VDD電壓和輸出電壓下降，當降低到OVP解除電壓時(shí)將重新開(kāi)啟正常工作。這時(shí)如果故障解除則正常工作，如果故障依然存在將重新進(jìn)入OVP保護狀態(tài)（圖6）。

圖6 VDD過(guò)壓保護
OUT輸出驅動(dòng)：
PT4201的OUT腳用來(lái)驅動(dòng)功率MOSFET的柵極。優(yōu)化設計圖騰柱形式輸出的驅動(dòng)能力使驅動(dòng)強度和EMI得到良好的折衷。同時(shí)，OUT的輸出高電位被限制到了18V，從而可以保護由于VDD升高可能對MOSFET造成的損傷。內部OUT和GND之間有一個(gè)電阻，可以在芯片不工作時(shí)將外部MOSFET的柵極可靠置為0電位。

基于PT4201的E27 3W離線(xiàn)式射燈方案
基于PT4201的E27 3W離線(xiàn)式射燈方案應用線(xiàn)路是典型的反激式的拓撲結構，采用副邊反饋（即光耦反饋），以提高輸出電流精度。相比于原邊反饋電路電流精度+-5%，副邊反饋的電路精度在+-2%以?xún)�，成本只增加�?.3RMB，但卻給大批量生產(chǎn)時(shí)提供了便利。

圖7基于PT4201的E27 3W離線(xiàn)式射燈方案
3W E27的應用一般負載接3顆1W的LED，每顆LED的VF在3.4V+-0.2V左右。一般電流為300mA-350mA.工作原理如圖7所示，AC85V-265V交流電輸入，通過(guò)L1（相當于一個(gè)保險絲，抗浪涌）后接入整流橋，從整流橋出來(lái)的電壓大約為1.4XVin，電流1A左右。

C1是一個(gè)濾波電容，電容值的選擇大約是負載功率的1-3倍即可，此處3W的應用采用4.7uF的電容，如選擇太小的會(huì )導致紋波大，選擇太大的空間又不允許。PT4201的VDD端一開(kāi)始由R4降壓后供電，18V啟動(dòng)，啟動(dòng)之后就通過(guò)變壓器輔助繞組供電，電壓在9-27V之間。R1、C3和D2是一個(gè)RCD吸收回路，用來(lái)吸收Q1開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的尖峰。減小R1，可以提高吸收效果，但是會(huì )導致系統效率降低，建議采用折衷的方式。

PT4201的RI端所接電阻R7是用來(lái)設定開(kāi)關(guān)頻率的，此處把頻率設定在65kHz.PT4201的CS端連接采樣電阻R8、R9，設置電流。

變壓器是一個(gè)重要的部件，采用反激式的拓撲結構，當Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器5、6斷導通，D1的耐壓為變壓器輸入電壓/匝數比+變壓器輸出電壓。當Q1開(kāi)時(shí)，變壓器1、2端有電流，3、4、5、6端截止，D1的耐壓為變壓器輸出電壓X匝數比+變壓器輸入電壓。D1、T1、Q1是影響效率的關(guān)鍵，D1反向耐壓與T1匝數比互相牽制。

電路右邊SR1100是一個(gè)肖特基二極管或者可采用快恢復二極管整流。當空載時(shí)，R3是一個(gè)限流電阻，限制這條支路上的電流在10mA，D4在這里選用12V穩壓管，起到一個(gè)整流限壓的作用，在空載時(shí)才工作，R2是一個(gè)分流電阻，R2上流過(guò)的電流為10mA，R2左端的電壓為1V.帶負載時(shí)，R6兩端的電壓為1V左右，通過(guò)選擇電阻值不同調節輸出電流，這是1X3W的應用，工作電流設定在300mA左右。

U2是光耦，當R6上的電流變大時(shí)，發(fā)光二極管上的電流變大，光敏電阻感應到之后，反饋電流到PT4201FB端，FB端電壓變小，PT4201通過(guò)調整占空比來(lái)使能量降低，隨之降低R6上的電流。由于是從輸出端采樣電流反饋到芯片，這樣的副邊反饋，實(shí)時(shí)對電流進(jìn)行微調，提高了輸出電流的精度。

圖8 3W E27方案的照片，體積很小，放入E27燈頭綽綽有余
改變這個(gè)方案的部分設計數據，可以設計5W、7W、12W的各種方案，工作原理雷同。由于5W-12W的應用空間較大，所以允許在3W的基礎上加上一些輔助電路。如增加抗雷擊器件、可以提高EMC的共軛電感、PFC、∏濾波器等等，以提高整個(gè)電路過(guò)EMC的能力、工作效率、PFC.