离线式PFM可调光LED恒流驱动器XL5003及其应用

摘要：XL5003是一种离线式高压高效可调光恒流LED驱动器单片IC，基于XL5003的85～265 V通用AC线路输入的LED驱动电源，可以驱动3～7颗串联的1 W LED，效率可达80％，并提供软启动、LED开路／短路保护及电流限制和热关闭等功能。
关键词：XL5003；LED驱动器；PFM；可调光；高压高效；保护

    XL5003是一种高压600 V、0．5 A开关电流降压式PFM LED恒流驱动器单片IC。基于XL5003的国际通用AC线路输入的LED恒流驱动电源，支持线性和PWM调光及无电解电容器解决方案，提供软启动、LED开路与短路保护及热关闭保护，始于用作驱动3～7颗串联在一起的1 W LED。

1 XL5003的结构和引脚功能
    XL5003采用8引脚SOIC封装，引脚配置如图1所示。

    XL5003芯片集成了软启动电路、0．2 V的参考电压、VDD欠压锁定(UVLO)、误差放大器(EA)、比较器(COMP)、脉冲频率调制(PFM)、过电流保护(OCP)比较器、锁存与栅极驱动器、600 V的DMOS及热关闭电路等，功能框图如2所示。

    XL5003的各个引脚功能见表1。

2 XL5003的功能特点与电气特性
2．1 功能特点
    XL5003是一种600 V、0．5 A开关电流降压型PFM LED恒流驱动器单片IC，适合构建85～265 V交流线路输入的AC／DC开关稳压器，用来驱动由3～7个1 W的LED组成的LED串，来替代E27、GU10、GU5．3和B22灯座的白炽灯或卤素灯。
    XL5003支持线性和PWM调光，同时支持无电解电容器解决方案，具有欠压锁定、电流限制和热关闭功能，并内置软启动电路，对LED开路和短路提供保护。
2．2 主要电气特性
    XL5003的主要电特性参数见表2。

3 典型应用电路
3．1 不带或带电解电容器的应用电路
    采用XL5003不带或带电解电容器的3～7 WLED驱动器电器如图3所示。

    在图3中桥式整流器BD1输出端，连接小电容CinA和CinB或一个3．3μF的电解电容。DC总线电压直接加至IC的VIN引脚，同时通过2 MΩ的电阻R1加至IC的VDD引脚。超快速恢复二极管DD和电容C1组成IC的自举电源。在IC内部的MOSFET导通期间，电流从IC引脚SW流出，经感测电阻RCS、电感器L1通过LED，同时对输出电容Cout充电；在IC内MOSFET关断期间，Cout放电，放电电流通过LED。通过LED的电流ILED由电阻RCS设定，其数值为：ILED≈0．22 V／RCS。当选择RCS=0．68 Ω时，ILED≈324mA。RCS不仅为LED提供恒流、而且还提供LED短路保护。
    当不使用电解电容并且选择CinA=CinB=0．47μF时，在VAC=110 V和VAC=200 V下的输入功率Pin、功率因数PF、输出电压Vout、输出电流Iout、开关频率fsw和效率η，见表3。

    如果用3．3μF的铝电解电容器取代CinA和CinB，测试数据见表4。

    采用3．3μF的铝电解电容器Cin后，线路功率因数PF略有降低，其他参数指标变化并不明显。由于铝电解电容器的使用寿命远低于LED的寿命，成为目前LED灯具出现早期失效的重要原因，因此建议低功率LED驱动器尽可能不选用电解电容器作为全桥整流输出的滤波元件。
3．2 带无源PFC和线性调光的应用电路
    采用XL5003并带无源PFC和线性调光的3～7 WLED驱动器电路如图4所示。图中，电容CinA和CinB及二极管D1A、D1B、D1C组成无源填谷式(ValleyFill)功率因数校正(PFC)电路，稳压二极管DZ1和电阻R2对LED开路提供保护，可调电阻RW用于LED的线性调光。

    在采用传统桥式整流电解电容滤波电路时，由于只有在AC输入瞬间电压幅度高于电解电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，整流二极管的实际导通角仅约60°，即在AC电压的正半周，二极管在60°和120°之间导通，在AC电压的负半周，二极管在240°与300°之间导通，致使AC输入电流呈高幅度的尖峰脉冲，谐振含量很高，线路功率因数仅为0．5～0．6。
    采用无源填谷式PFC电路后，在AC输入电压的正半周的30°时，IC引脚VIN上的电压VIN恰为AC峰值电压VAC(PK)的一半，即VIN=VAC(PK)·sin30°=0．5VAC(PK)，此时电流通过二极管D1B对电容CinA和CinB开始充电，同时流入IC引脚VIN对负载供电。当VIN达到VAC(PK)之后，D1B截止，停止对CinA和CinB充电。在150°时，VIN=0．5VAC(PK)，D1A和D1C导通，CinA和CinB放电。在此情况下，桥式整流二极管的导通角为120°(从30°到150°)，比使用电解电容时增加了60°。同理，在AC线路的负半周，桥式整流二极管导通角也为120°(从210°到330°)，比使用电解电容时也增加了60°，起到对AC输入电流波形的填谷作用，将线路功率因数提高到(0．85～0．90)。
    当去掉调光电阻RW不考虑调光情况时，带无源PFC的LED驱动器测试数据见表5。

4 结束语
    XL5003集成了为恒流驱动LED所需要的控制电路和一个600 V、0．5 A的VDMOS，仅需外加少量的元器件，即可构建85～265 V交流通用输入的AC／DC高效开关稳压器，用来驱动3～7 W的LED串，LED电流利用一个电流感测电阻设定。基于XL5003的PFM LED恒流驱动器，支持无电解电容器解决方案和线性或PWM调光，并适于采用无源PFC电路，而且还提供软启动、电流限制以及LED开路／短路保护及芯片热关闭保护。与XL5003同系列的器件还有XL5002和xL5004等。