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1 UR4205C 系统应用指南 1

2 目录 芯片介绍 典型应用 基本算法 - 更新 VDD 工作原理及容值推荐,boost 谷底检测原理 - 增加 boost 开关管过流保护原理,FB 脚电压选择建议, 短路保护原理 应用注意事项 - 更新 PCB 及 EMI 布线要求,boost 电解电容选取 - 增加大电流扩展的应用 2

3 芯片介绍 高功率因数 无频闪 高光效要求的灯具, 如球泡灯, 玉米灯,T 管和平板灯等 Part # 应用拓扑最大输出功率功率开关功率因素封装 UR4205C BOOST 架构 100W 外置 >0.95 ESOP16 主要特性 典型应用图 : 全电压范围 PF>0.95, THD<10%; 高达 94% 的驱动效率 ; 容易实现 110lm/W 以上的整灯光效 输出电流无纹波 ; <500ms 的快速启动 ; 外围元件少, 体积紧凑 ; Boost 引脚说明 3

4 典型应用 UR4205C 单级 boost 高 PF 无频闪方案 尺寸 :( 长 * 宽 * 高 ) 40mm*22mm*16mm 输入 : V 输出 : 40mA/400V 启动时间 : <500mS EN55015: 效率 : 线电压调整率 : PF THD Pass Typical 93%(220V input, 400V output) 90Vac~265Vac T1 D1 V+ BD1 MB6S C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R 1N4148 R7 51R U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN R3 1M R6 910K V- 150nF/400V 6 COMP 11 N L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF 7 8 FB OVP CS2 10 AGND 9 C4 R14 R11 R12 C2 R13 1uF 7.5R 8.2K 22nF 100K 4

5 基本算法 芯片内部框图 5

6 基本算法 VDD 工作原理 HV smart power: VIN 检测到输入电压后, 通过 Vin pin 给 VDD 电容 Cvdd 充电, 启动时, 充电电流 Ist 为恒流 3mA VDD 电压上升到 Vst=13.2V 时, 输出驱动信号 VIN 充电 输入电流 VDD 电压 VIN 只在 VIN 大于 VDD 电压一点时才给 VDD 电容充电 剩下的整个工频周期中几乎都是靠 CVdd 维持芯片工作, 因此 VDD 电解选择时需要保证 VDD 不能掉的过低 VDD 电解放电 6

7 基本算法 VDD 电容计算 T ST V ST C I ST VDD C VDD I T TOT AC VDD 其中 : ITOT: 为芯片消耗的所有电流, 包括芯片本身的损耗和开关管的驱动能量 TAC: 为电解放电时间, 可取近似值 20ms ΔVDD: 为保证 VDD 稳定, 一般 ΔVDD=3V 7

8 基本算法 VDD 电容推荐 对于采用 4N60 及以下开关管时,VDD 电容选择 10uF/25V, 供电采用单路供电 供电回路电阻建议选取 5K 以下, 建议采用 1 个 1206 电阻, 电阻温升最好控制在 40 对于采用 4N60 以上开关管时,VDD 电容选择 10uF/25V, 供电采用双路供电 供电回路电阻建议选取 5K 以下, 建议 2 个 1206 电阻串联, 电阻温升最好控制在 40 Vin 为高压 PIN, 耐压 650V 8

9 基本算法 谷底检测原理 UR4205C boost 部分过零检测通过检测芯片 gate1 脚电压来实现, 当开关管关断之后, 由于 boost 电感和开关管的 DS 电容之间存在谐振, 该谐振通过 Cdg 产生一个滞后的电流,gate1 内部此时会接入一个阻抗采集这个电流, 该信号会触发内部的比较器, 从而发出开关管导通信号 Boost 开关管 Drain Drain Cdg Gate1 CS1 Gate1 谷底检测电压 C*(dv/dt)*Rsense 9

10 基本算法 输出电流计算 I O V R CS 2 CS 2 其中 :Vcs2=304mV 备注 :UR4205C 通过连接在 CS2 脚到地的电阻 RCS2 来设定输出电流 10

11 基本算法 Boost 开关管过流保护 为了保护开关管在非正常状态时, 如 boost 电感饱和, 不至于出现过大的电流应力, UR4205C 内部会逐周期的检测 CS1 上的电压, 一旦电压超过 1.52V, 便会将电压钳位住, 出现电流被削顶的情况, 如右图所示, 此时输出电流会偏低, PF 和 THD 会变差 因此, 在设计时, 需要保证在最低输入电压下 CS1 电阻上的电压要 <1.52V 输入电流 CS1 电压 触发 CS2 限流保护 11

12 基本算法 输出电解电容计算 C O 2 I F O LINE V PP 备注 : ΔVpp 指电容上的纹波, 计算如下 : UR4205C 通过内部集成 LDO 去纹波, 所以纹波越大,LDO 上的损耗越大, 一般考虑芯片损耗 Pldo 不超过 0.5w V PP 2 2 (0.5 Io O * R DSon ) I 注意 :boost 电解电容选择时, 需要注意其耐压, 保证 OVP 时电容耐压也要满足要求 - 输出电压 400V 左右时, 建议 OVP 电压设置 450V, 可选用 450V 耐压电解 - 输出电压 450V 左右时, 建议 OVP 电压设置 500V, 可选用 500V 耐压电解 12

13 应用注意事项 输出电容的选取 输出电解上的电压纹波, 会通过 UR4205C 内部集成的 LDO 消耗掉, 使输出实现无频闪 ; 加大输出电解电容的容值有助于提升效率和降低 IC 发热, 另外, 若使用过小的电解电容, 则输出电解电容上的纹波电压增加, 此纹波通过 UR4205C 内部 LDO 时有可能触发 LDO 的过功率保护 基于 400V/40mA demo 板测试结果如下 : Vin(V) Pin(W) Vout(V) Iout(mA) Pout(W) Effi(%) Vdrain_p ΔVpp E cap uF uF uF 电解电容大小对效率的影响主要是对 boost 电压纹波的影响, 直接反应就是 LDO 上损耗的大小, 从而直接影响驱动的效率 13

14 基本算法 FB 外接电阻计算 UR4205C 通过 FB 设置输出电压纹波的平均值,FB 脚电压的大小决定了去纹波的效果及 IC 上的损耗大小 V 2 PP R fb 2 R fb 2 R fb1 V 其中 :VFB 为内部参考为 0.92V ΔVpp 为输出电压纹波, 有下式可得 2 2 (0.5 Io O FB VPP * R DSon ) I UR4205C 去纹波的效果取决于 FB 设置的 drain 的电压平均值, 当 : FB 设置的 Drain 上电压 频闪 UR4205C 损耗 >1/2 的 drain 上电压纹波 无 大 =1/2 的 drain 上电压纹波 无 适中 <1/2 的 drain 上电压纹波 有 小 14

15 基本算法 OVP 外接电阻计算 系统的最大输出电压通过 OVP 脚位设定 V R R R R V OVP OVP _ TH 11 其中 :Vovp_th=1.93V 15

16 基本算法 短路保护及 LDO 过功率保护 LED 短路保护和 LDO 过功率保护都通过检测 FB 脚的电压来实现,LDO 过功率保护 (OPL) 公式为 : V drain _ OPL 20uA * Rfb1 1.93V * Rfb1 Rfb2 Rfb2 LED 短路保护 (LSP) V drain _ LSP 50uA * Rfb1 1.93V * Rfb1 Rfb2 Rfb2 注意 : 不建议 UR4205C 在应用时先开路, 后短路 会损伤 LDO 的内部 MOS, 导致芯片失效 16

17 应用注意事项 EMI 及 PCB 布线要求 Boost 部分高频的功率回路应尽可能走线采用短粗线, 回路面积尽可能小, 保证好的传导和辐射性能 30W 以下的前级滤波器可选用 π 型滤波 ( 驱动板比较长的建议增加共模电感 ),30W 以上建议增加共模电感 由于 UR4205C 在过温情况下会直接关断 IC, 因此尽量让 IC 远离发热源, 尽可能的通过铺铜来增加 IC 散热 由于 1 脚 VIN 在打浪涌时会存在有高压串入的可能, 为了防止将 2 脚击穿, 应 : - 尽量让 VIN 脚走线远离 VDD, 建议在 1 脚和 2 脚之间进行开槽处理 COMP 口电阻和电容应尽可能靠近 IC 17

18 应用注意事项 高电压输入开机, 电流出现阶跃 UR4205C 在高电压输入时, 会存在开机电流有阶跃的现象, 此时灯的亮度会有一个小的跳变 原因为高电压输入时,boost 电解上已经存在的电压大于 LED 的导通电压 当 VDD 的电压达到了 13.2V, 后级的 LDO 开始工作, 此时会有很小的电流流过 LED, 导致 LED 微亮 随着 boost 的电解上的电压升高, 电流会慢慢建立起来 从而出现了亮度阶跃的情况 实际测试波形如下所示 : 由于 boost 电压的建立总是会有一个过程, 因此该现象比较难避免 因此全压输入时, 建议 LED 电压尽量选择高一点 输入电压 <LED 导通电压输入 :220Vac 输出 :430V Iout VE-cap VDD VLDO_drain 输入电压 >LED 导通电压 输入 :250Vac 输出 :430V 18

19 应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 由于 UR4205C 的 LDO 允许流过的最大电流为 100mA, 因此无法满足输出电流 >100mA 要求时, 这时可以考虑通过外加分流电阻的方式来对 LDO 进行散热处理, 分流电阻选择时需要满足以下条件 : V drain _ max R 散热 I o 其中 :Vdrain_max 为 LDO 的 Drain 上电压最大值 19

20 应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 LDO 上并联电阻后, 对输出电流纹波会有一点影响, 从波形上可以看出, 电阻分流之后, 还是会有少量纹波引入, 实际频闪效果需要实测来确定 : 测试条件为 : - 输入 220Vac - 输出 400V/100mA, -LDO drain 上电压最大值 26.3V,UR4205C:40mA, 电阻 :280ohm (>26.3V/100mA=263ohm):60mA 左右 电阻分流前 电阻分流后 20

21 应用扩展 - 电阻分流 大电流应用 ( 1 ) 电阻分流 设计注意事项 : 由于设计时, 电阻选择是基于 LDO Drain 上电压的最大值, 而实际流过分流电阻电流为 Drain 上电压有效值除以电阻值, 因此还是会有一部分电流流过 UR4205C, 大小取决于电压纹波的大小 FB 上分压降低会抬高 Drain 上电压, 会带来 LDO 损耗变大的情况, 因此 UR4205C 的温度也会相应升高 采用电路并联分流还是会有少量电流纹波引入, 频闪效果需要实际进行确认 电阻分流消除频闪解决办法 : 采用 BP5131D 取代分流电阻! 21

22 应用扩展 -BP5131X 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 基于后面给出的测试结果,UR4205C 可以搭配 BP5131D 来进行大电流的扩展, 但是应用中需要注意 : 流过 UR4205C 和 BP5131D 的电流大小可以根据实际的温度情况来确定 尽可能的利用 PCB 铺铜来增加两颗 IC 的散热, 在不影响性能的情况下, 越大越好 增加 BP5131D 后, 如果要实现无纹波, 需要调低 UR4205C 的 FB 上的分压来保证 BP5131D 正常工作 (4250C 的 drain 脚上电压纹波的最小值 >10V), 带来的坏处就是 UR4205C 的 LDO 上的电压会升高,LDO 的损耗会变大 扩展后短路保护需要注意 : - 负载短路后上电,OK - 负载上电后短路, 建议应该尽量避免 一旦发生短路,BP5131D 会损坏, 但是 UR4205C 能够正常工作 因此, 移除短路保护后流过 LED 的电流只剩下 UR4205C 的电流, 电流值会变小 对于输入电压较高时, 需要增加延时电路来解决启动出现阶跃的问题 22

23 应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 方案实现原理及问题 T1 D1 V+ BD1 MB6S C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R 1N4148 R7 51R U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN R3 1M R6 910K V- 150nF/400V 6 COMP 11 N L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF 7 8 FB OVP CS2 10 AGND 9 C4 R14 R11 R12 C2 R13 1uF 7.5R 8.2K 22nF 100K 实现原理 : 将 BP5131D 采用并联的方式连接在 UR4205C 的 LDO 上, 通过调整两颗芯片的 Rcs 来实现不同的电流值, 为了匹配两颗 IC 的 LDO 工作所需电压, 可以适当减少 FB 脚上的分压电阻阻值, 降低 FB 上的分压, 保证 BP5131D 正常工作所需要的电压 23

24 应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 测试结果 方案 1: 输入 :120Vac 输出 :430V/100mA(UR4250C:60mA,BP5131D:40mA) 稳定 1 小时后 : 基于 UR4205C 和 BP5131D 在 PCB 板上有大面积铺铜的情况 Vin(V) Iin(A) Pin(W) PF THD(%) Vout(V) Iout(A) Pout(W) Effi(%) T_UR4205C(⁰ C) T_BP5131D(⁰ C) Ta(⁰C) 输入波形 : 蓝色 : 输入电压绿色 : 输入电流 输出波形 : 蓝色 : 输出电压绿色 : 输出电流 结论 :UR4205C 温升 50, BP5131D 温升

25 应用扩展 -BP5131D 分流 大电流应用 ( 2 ) BP5131D 线性分流 测试结果 方案 1: 输入 :120Vac 输出 :430V/100mA(UR4250C:60mA,BP5131D:40mA) 输出开路 :OK, 电压 :512V 输出短路 : 负载短路后上电,OK 不建议负载上电后短路, 会损坏 BP5131D 内部 LDO 的 MOS 管 25

26 应用扩展 -BP5131D 分流 测试结果方案 2: 输入 :120Vac 输出 :300V/115mA(UR4250C:60mA,BP5131D:55mA) 稳定 1 小时后结果 :( 基于 UR4205C 和 BP5131D 在 PCB 板上有大面积铺铜的情况 ) Vin(V) Iin(A) Pin(W) PF THD(%) Vout(V) Iout(A) Pout(W) Effi(%) T_UR4205C(⁰ C) T_BP5131D(⁰ C) Ta(⁰C) 输入波形 : 蓝色 : 输入电压绿色 : 输入电流 输出波形 : 蓝色 : 输出电压绿色 : 输出电流 结论 :UR4205C 温升 50, BP5131D 温升

27 应用扩展 -BP5131D 分流 测试结果 方案 2: 输入 :120Vac 输出 :300V/115mA(UR4250C:60mA,BP5131D:55mA) 输出开路 :OK, 电压 356V 输出短路 : 负载短路后上电,OK 不建议负载上电后短路, 会损坏 BP5131D 内部 LDO 的 MOS 管 27

28 应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 现象描述 : 以上测试结果只是考虑了 120Vac 输入下的情况, 当输入电压增加时 (>LED 导通电压 ), 由于 UR4205C 和 BP5131D 启动逻辑的不同 (UR4205C 由 VDD 来控制,BP5131D 无 VDD, drain 上有电压就会导通 ), 会出现开机时电流有阶跃的情况 原因分析 : 出现阶跃的原因主要是 : 在 boost 工作之前, 此时 boost 输出电解电容上电压等于输入电压的峰值, 当这个电压 > 负载导通电压时, 两颗 IC 启动逻辑不同, 就会导致电流出现阶跃的问题 启动过程分为两个阶段 : 阶段 1: UR4205C:VDD 充电过程中, 由于 <13.2V, 因此不工作 BP5131D: 此时由于 LDO 的 drain 有电压 ( 电压很低 ), 会有很小的电流流过阶段 2: UR4205C: 的 VDD 达到 13.2V,UR4205C 开始工作, 此时 drain 上电压会被 UR4205C 拉低 BP5131D: 由于 drain 上电压被拉低, 此时 BP5131D 关断 Iout VDD Vcs_BP5131D Vcs_UR4205C 阶段 1 阶段

29 应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 解决办法 : 为了解决启动时序的问题, 需要在 BP5131D 的 GND 和 UR4205C 的 GND 之前增加一个延时控制开关, 控制开关电源可以共用 UR4205C 的 VDD T1 D1 V+ BD1 MB6S C6 22nF/500V 3.6mH ES1J CE1 10uF/450V C3 22nF/500V R1 1M 4 CX2 150nF/400V R5 5.1K CX1 R2 3K L1 2mH D2 1N4148 Q1 4N60 D3 R4 470R VD D 1N4148 R7 51R U1 VIN VDD GATE1 PGND1 CS1 DRAIN R3 1M R6 910K V- N 150nF/400V L F1 1R CE2 10uF/25V R8 5.1R R9 5.1R R10 10K C1 470nF C5 1uF COMP FB OVP CS2 9 AGND C4 1uF R14 R11 7.5R R12 C2 8.2K 22nF R13 100K 器件选择 : Q2:BPM5001N/SOT23 R1&R2:100K/0805 C1:3.3uF/0805 VDD 29

30 应用扩展 -BP5131D 分流 应用注意事项 ( 输入电压 > 负载导通电压 ) 测试结果增加延时电路后测试结果如右图, 可以看出 BP5131D 的 Vcs 电压, 即 MOS 的 DS 电压, 在 MOS 未导通之前, 没有电流流过 (drian 电压为高 ), 输出电流上也没有之前出现的平台电流 在 UR4205C 导通之后, 才有电流流过 BP5131D, 从而解决了阶跃的问题 Iout VDD Vcs_BP5131D Vcs_UR4205C 30

31 Thanks! 这就是创新! Application