CS1631相控LED调光驱动电路工作原理与应用

4.9.2.1 CirrusLogicCS1631的工作原理

CS1631是高性能离线AC/DC LED驱动控制器，采用Cirrus公司的数字调光技术和数字相关色温控制系统，能进行两路LED负载串混色调光控制。CS1631适用于AC230V交流输入市电供电的Flyback变换、Buck变换、电感带抽头的Buck变换器应用场合^[79]。

1.CS1631的特点

（1）快速软启动；

（2）无调光发光闪烁；

（3）功率因数大于0.9；

（4）高达85%的工作效率；

（5）最低调光电平可达0%；

（6）LED工作电流温度补偿；

（7）满足IEC-61000-3-2有关技术要求；

（8）第二准谐振变换级输出恒电流值可设定；

（9）可设定两路串联或并联LED负载输出，输出无需附加变压器；

（10）调光工作性能可设定，恒色温校正控制，黑色体线调光；

（11）一次侧控制，精准的LED工作电流控制，恒流准确度优于±5%；

（12）具有输出开路/短路保护、电流检测电阻开路/短路保护、利用外接热敏电阻元件实现过热保护等保护控制功能；

（13）可用于前沿/后沿相控调光和数控调光（通过SDA和SCL引脚）应用场合，调光器兼容性好。

2.CS1631的主要技术性能

CS1631是高性能离线式AC/DC变换LED调光驱动控制器集，利用Cirrus Logic的数控调光兼容控制技术和数字色温校正控制技术可以确保两路LED负载串混色。

CS1631内部集成了CRM工作模式的输出升电压输出变换控制器、PFC控制器、一次侧调节控制准谐振高调光控制兼容性的第二级变换控制器，可用于隔离或非隔离应用场合。数控相关色温控制可以获得数控相关色温调光和类似白炽灯调光控制特性。通过外接负温度系数热敏电阻热补偿可以优化LED的混色效果，还具有电源线的补偿和电源线端的设定控制功能（如图4-251所示）。

利用CS1631的SDA和SCL引脚可以实现和外部电路通信，也可以对内部有关寄存器进行工作参数设定，从而设定CS1631的工作状态，内部寄存器锁定工作特性可以确保内部寄存器内容安全，可以很好的保护寄存器内重要的信息不被泄露。

CS1631引脚图如图4-240所示，引脚功能如表4-38所示，为16引脚SOIC封装，CS1631工作原理框图如图4-241所示，采用CS1631的典型应用电路工作原理图如图4-242所示。

图4-240 CS1631引脚图

表4-38 引脚功能

图4-241 CS1631工作原理框图

图4-242 采用CS1631的典型应用电路工作原理图

如图4-242所示，CS1631采用专利的外接高压射随器电路为V_DD引脚提供启动电流，在电路稳态工作期间，通过升压电感L₂上的辅助绕组为V_DD供电，从而提高电路的工作效率。接至PFC功率开关管（VT₂）源极的二极管建议使用正向电压降低于0.6V的肖特基二极管（VD₅），这只肖特基二极管可以限制通过PFC功率开关管体二极管的浪涌冲击电流，避免损坏CS1631。

通过检测流入CS1631的I_AC引脚电流可以实现对交流输入市电整流输出电压的检测，并且这个检测结果可以用于控制调光器的自适应兼容算法，为调光控制提供输入交流市电的相位信息。在电路稳定工作期间，外接高电压源级跟随器VT₂工作于CRM工作模式来提升输入直流电压，实现高的功率因数和调光控制兼容性，降低输出滤波电容C₈上的纹波电压，为下一级Flyback准谐振开关变换电路（VT₄）提供稳定的供电电压。

通过对流入升电压输出电压检测引脚（BSTOUT）的电流检测可以实现对CRM工作模式升电压输出有源PFC电路输出电压的检测。

第二级准谐振变换电路（VT₄）工作于一次侧调节控制的峰值电流控制方式，无需二次侧电路的反馈就可以完成电路的反馈控制，减少了外围元器件的数量，降低了电路复杂性。

外接电流检测电阻（R₁₁）可以用于检测通过第二级变换电路功率开关管（VT₄）的电流，这个电流检测信号被加到FBSENSE引脚，为避免相控调光器的误触发，在FBSENSE引脚内部电路加了前、后沿消隐。

FBAUX引脚用于检测第二级变换电路变压器绕组（T₁）的退磁，确保第二级变换电路工作于准谐振开关工作状态。

通过反馈环路调节内部电流源可以在外部过温度保护引脚产生一个稳定的基准电压，可用于外接负温度系数热敏电阻的温度检测。外部过温度保护引脚的外接热敏电阻可以提供电路的热保护和LED工作温度补偿功能。如果电路工作温度超过了设定点温度，电路的输出电流稳定下降，如果电路工作温度达到了高温保护设定点，CS1631关断停止工作。

3.CS1631的控制功能

（1）利用CS1631内部的数控相关色温控制可以实现调光控制，例如可以实现恒定色温调光控制或类似白炽灯调光效果的调光控制。通过外接的负温度系数热敏电阻可以实现LED工作电流的温度补偿，优化LED的混色效果。在电源供电线较长的应用场合还可以补偿由于电源线过长对LED驱动电源的影响（如图4-251所示）。

（2）CS1631内部的调光开关控制电路可以实现调光器类别的检测，可以检测电路采用了前沿相控调光器、后沿相控调光器、数控调光还是没有接调光器。

调光器类别的检测实现方法有学习工作模式和调光器有效工作模式两种。一旦CS1631供电达到它的欠电压锁定输出（UVLO）的阈值电位V_ST（th），CS1631开始工作，进入学习工作模式，使电路工作于相应于前沿相控调光器、后沿相控调光器、数控调光或没有接调光器的工作状态。

1）在调光器学习工作模式下，调光器检测电路用大约两个交流输入市电工作周期的时间来学习电路中是否接入了调光器，如果接入了调光器，判断接入的调光器是相控前沿调光器、后沿相控调光器、数控调光器还是没有接调光器。通过检测交流输入市电电压的后沿可以判定接入的是否后延相控调光器，一旦判定电路接入的具体调光器类型，电路进入相应的工作模式。

2）在电路正常工作状态下，CS1631工作于调光器有效工作状态，并进行周期性的检测，使电路工作于正确的调光控制算法，避免出现不正确的调光器检测。为保证电路的正常工作，调光器检测电路的输出信号经过低通滤波电路滤除噪声信号或瞬态干扰信号，避免由于这些噪声信号或瞬态干扰信号改变电路的正常调光工作模式。如果电路检测到电路没有处于正确的调光工作模式，CS1631将回到调光器学习工作模式。

3）如果电路检测到电路中没有接调光器，CS1631工作于无调光器工作模式，这时由于电路有源PFC电路的作用，电路的功率因数大于0.9。有源PFC电路工作于DCM或CRM的升电压输出工作模式，这时交流输入电流的波形和交流输入电压的波形同频同相，波形相同。

为稳定升电压输出电路的输出电压，CS1631利用内部的PEAK_CUR寄存器来设定峰值电流，峰值电流持续时间由内部的补偿环路决定。通过内部算法实现功率因数校正和升电压输出稳压控制，获得电路的高功率因数。

4）在前沿相控调光工作模式下，CS1631在维持调光器相控调光工作的情况下，稳定PFC电路的输出电压（V_BST），在调光器刚开始触发工作期间，利用调光器的触发工作电流，PFC电路工作于CCM工作模式。一旦实现对输入电流的控制，CS1631转入CRM工作模式来稳定有源PFC电路的输出直流电压。

CS1631周期性的检测输入交流市电电压波形，利用监测信息来使电路工作于适当的调光器工作模式。

5）在后沿相控调光工作模式下，CS1631基于交流输入市电电压的下降沿决定电路的工作方式，PFC电路工作于升电压输出工作模式，为确保相控调光电路的最大兼容性，在后沿相控调光工作模式下PFC电路工作于峰值电流控制方式。

（3）CS1631的色控制电路通过外部过温度保护引脚外接的负温度系数热敏电阻可以在LED混色应用场合调节和保持LED发光的相关色温，通过外部过温度保护的内部反馈控制环路可以精确的检测LED发光色温变化。

在暖白光混色输出的LED应用场合需用到红光和琥珀色的LED发光二极管，但是，红光和琥珀色的LED发光二极管对温度敏感，CS1631通过外接负温度系数热敏电阻可以补偿由于温度变化而对LED相关色温变化的影响。

由于LED的光输出、发光色温和工作温度、正向工作电流等因素有关，所以当LED的工作环境温度发生变化时，可以通过改变LED的正向工作电流来补偿。具体可以通过外接热敏电阻来实现。

CS1631通过改变两串LED负载中一串LED负载工作电流来实现LED发光色温度补偿，但是这又可能由于环境温度升高而致使LED的总光输出下降，为使CS1631内的ADC变换电路能对LED总的工作温度变化范围都可以实现补偿，使用中建议热敏电阻（R_NTC）串接一只电阻（R_S），并对热敏电阻的温度系数有所要求。

（4）在调光应用场合，在时域提取调光控制信号，调光控制信号正比于相控调光器的导通角，调光控制信号被送到第二级谐振变换电路来实现0%～100%调光范围的调光控制。

LED调光基准电流值设定在T_A=25℃、调光输出为100%的工作状态，调光控制函数为多项式，阶数可以高至3阶，这个控制函数存储在多项式系数寄存器中。

（5）升电压输出PFC变换级中功率开关MOSFET管的峰值工作电流由PEAK_CUR寄存器内的参数决定（可以参见峰值电流寄存器PEAK_CUR的有关内容）。

在非调光工作模式下，升电压输出PFC变换级正常工作。

在前沿相控调光应用场合，PFC电路还需满足调光电路对相控晶闸管维持导通工作电流的要求。在后沿相控调光的应用场合，PFC变换电路需满足调光电路在交流输入市电电压的后沿进入调光工作状态。

1）和升电压输出PFC输出电压成正比的一个电流被送到了BSTOUT引脚，这个电流信号被用作反馈控制信号，通过电阻R_BST送到CS1631内部的ADC电路来检测电流I_BSTOUT的幅值，这个I_BSTOUT电流幅值又和内部的基准电流I_REF（133μA）相比较，和交流输入市电电压成正比的电流送到I_AC引脚，用于PFC控制算法。

为使电路工作于最优工作条件，电阻R_IAC和R_BST应选用误差为±1%或更高的精密电阻，以获得高的电压V_BST准确度。

2）Boost电感辅助绕组用于零电流检测，通过BSTAUX引脚可以检测辅助绕组电压，用于在电路启动工作期间提供启动工作电流。

3）CS1631具有PFC升电压输出过电压保护控制功能，如果PFC升电压输出电压超过存储在过温度保护寄存器中预先设定的过电压保护阈值电压时，PFC升电压输出过电压保护电路动作。对CS1631而言保护阈值电压V_BOP（th）可以设定为DC432～462V之间。控制逻辑电路不断地平均PFC升电压输出过电压故障信号，这个信号经漏积分电路积分，一旦漏积分电路的输出信号超过一定的阈值电压，表明电路出现过电压故障，PFC升电压电路中止输出。

在电路PFC升电压输出过电压保护期间，第二级谐振变换电路仍然工作，这时调光为最大输出，这样可以很快的消耗掉存储在PFC输出滤波电容上的电荷，使PFC电路输出电压降低至一个安全值，这时LED负载的发光出现闪烁，表明PFC电路工作出现了故障，如果这时PFC电路的输出电压降低到DC392V，如果这时寄存器中BOP_RSTART位为1，电路又恢复正常工作。如果这时寄存器中BOP_RSTART位为0，电路仍处于故障工作状态。

（6）为确保调光电路可靠工作，不被误触发，电路需要有一个最低工作电流，在相控晶闸管调光应用场合，这个最低工作功率为2W。在小调光相控角的应用场合（小于或等于90°），PFC输出的功率不能完全被第二级谐振变换电路转换为负载LED的光输出，这时，PFC电路的输出电压（V_BST）有可能高于输出安全工作电压，通过PWM控制回路的控制作用可以确保PFC的输出V_BST电压不会大于DC424V。

如图4-243所示，在CS1631的CLAMP引脚加有源箝位电路来确保调光电路的可靠工作。如果V_BST电压大于阈值电压，晶体管VT₃导通，泄放一部分PFC输出电容上的电荷，避免PFC输出电压大于最大输出安全电压。

CS1631的输出过功率箝位保护控制电路不断的检测箝位电路的导通时间，如果在内部产生的1s窗口时间内累计导通时间大于84.48ms，输出过功率箝位保护有效，中断PFC和第二级谐振变换电路的工作，在故障工作状态下，输出过功率箝位电路关断，不工作。

图4-243 有源箝位电路工作原理图

（7）第二级准谐振变换DC/DC电路可以工作于Flyback变换、Buck变换或电感抽头的Buck变换工作方式，具体工作方式可以通过对有关寄存器的有关位来设定。准谐振变换电路具有高工作效率的优点，并且输出恒流工作特性好和输出纹波小。第二级准谐振变换DC/DC电路采用一次侧反馈控制方式，可以有效地降低电路元器件数量和简化电路的设计。

数控调光算法可以确保获得0%～100%的调光控制范围，并在调光信号与LED负载电流之间获得线性控制特性，图4-244所示电路表示两路并联输出反激准谐振变换输出电路工作原理图。(www.xing528.com)

图4-244 两路并联输出Flyback准谐振变换输出电路工作原理图

通过检测Flyback变换电路的一次侧电流和辅助绕组的电压可以控制Flyback谐振变换电路的工作，两路并联输出Buck变换电路工作原理图如图4-245所示。

图4-245 两路并联输出Buck变换电路工作原理图

通过检测通过Buck电感的电流和辅助绕组的电压可以控制Buck变换级的工作，通过检测Buck电感的退磁可以使电路工作于准谐振工作状态，数控算法可以降低由PFC电路引入的纹波电压，从而提高电路的工作效率和LED负载的工作寿命。

Buck电感带抽头的Buck变换电路工作原理和Buck变换电路工作原理类似，在大输入输出电压比的工作条件下，Buck电感带抽头的Buck变换电路的最小导通时间改进了电路的工作效率，通过检测通过Buck电感的电流和辅助绕组的电压可以控制Buck电感带抽头的Buck变换电路的工作。利用辅助绕组来检测Buck电感的退磁可以使电路工作于准谐振工作状态。Buck电感带抽头的Buck变换电路工作原理图如图4-246所示。

图4-246 Buck电感带抽头的Buck变换电路工作原理图

1）CS1631可以工作于串联或并联两路LED负载输出工作状态，可以通过对CS1631寄存器相应STRING和LED_ARG位来设定。在Flyback变换和Buck变换下LED串并联连接电路不一样，如图4-247、图4-248和图4-249所示，在Flyback变换工作模式下需用到一个NMOSFET管，而在Buck/Buck电感带抽头的Buck变换电路结构中，需用到一只PMOSFET管。

图4-247 串联两串LED负载的Flyback变换电路工作原理图

串联两串LED负载的Buck/Buck电感带抽头的Buck变换电路工作原理图如图4-248和图4-249所示。

图4-248 串联两串LED负载的Buck变换电路工作原理图

图4-249 Buck电感带抽头的Buck变换电路工作原理图

要维持恒流输出和低的输出纹波电流，电路需满足以下工作条件。对LED负载并联输出应用场合，应满足两串并联LED负载的电位差要小，对LED负载串联输出应用场合，应满足两串串联LED负载的电流差要小。

2）CS1631利用一次侧控制方法来分别控制两路LED负载中每路的工作电流，可以省掉光耦合器反馈回路。控制环路工作于峰值电流控制模式，通过各自的电流控制环路逐周期控制每路LED负载的工作电流。通过辅助绕组由FBAUX引脚来检测第二变换级电感的退磁，检测信号通过FBAUX引脚对数字控制环路注入一个检测电流。

通过交叠PWM控制两路LED负载的工作电流。在二次侧含有开关器件（同步整流电路），以独立的控制每路LED负载电流。

由于采用开关控制每路LED负载的输出电流，对并联应用场合，每路LED负载的电压差可以大于±20%，对串联应用场合，每路LED负载的电流差可以大于±20%。

3）通过设定第二级谐振变换级的控制参数可以确保在交流输入市电电压变化±10%的范围内，LED负载的工作电流保持恒定。在变压器磁化电感变化±20%的范围内，LED负载的工作电流保持恒定。

FBSENSE引脚用于检测通过第二谐振变换级电感的工作电流，当这个电流达到一定的阈值电流时，GD引脚的栅极驱动输出信号关断。

两个一次编程（外部过温度保护）参数用于设定第二谐振变换级的输出电流，CH1CUR用于第一路LED负载串的工作电流设定，CH2CUR用于第二路LED负载串的工作电流设定，具体设定方法可以参考CS1631的有关技术文件。

电流检测电阻R_SENSE的取值和输入电压、开关工作频率、变压器的匝数比和每路LED负载串的工作电压和工作电流有关。

4）通过扩频可以降低开关谐波的峰值，频率抖动的范围可以通过对寄存器的比特位DITLEVEL[1∶0]管理实现，在非调光工作模式下CS1631通过比特位DITNODIM设1可以实现非调光控制。如果输出电流变化，通过设定比特位DITCHAN[1∶0]设定可以实现两个LED负载通路之一的电流变化较小。

5）通过检测辅助绕组的输出电压来实现输出开路保护和输出过电压保护，如果FBAUX引脚的电压超过了1.25V的阈值电压（V_OVP（th）），电路进入保护工作状态，CS1631停止输出，在经历1s的时间后CS1631试图再重新启动工作。

6）通过检测第二谐振变换级电流检测电阻上的电压可以实现过电流保护控制，如果这个检测电压超过1.69V的阈值电压（V_OCP（th）），电路进入保护工作状态，CS1631停止输出，在经历1s的时间后CS1631试图再重新启动工作。

7）通过检测第二谐振变换级电流检测电阻是否短路来实现开环保护，如果FBSENSE引脚上的电压没有达到200mV的保护阈值电压（V_OLP（th）），CS1631停止输出，在经历1s的时间后CS1631试图再重新启动工作。

（8）通过外接温度保护器件CS1631可以实现器件的过温度保护，一般使用负温度系数热敏电阻来实现温度保护。

1）当CS1631的焊盘温度超过+135℃时，内部的过温度保护电路动作，恢复正常工作有+7℃的回滞温度。

2）利用外接过温度保护热敏电阻R_NTC通过外部过温度保护引脚可以实现过温度保护控制功能，引脚的总电阻通过数字反馈电路ADC转换为8位的数字代码，实现数字控制。

在外部过温度保护跟踪范围内可获得高达+130℃的检测温度，外部过温度保护跟踪电路最大外接电容允许范围为470pF。

ADC输出经过低通滤波器滤波，这个低通滤波器的滤波时间常数可以通过寄存器的比特位EOTP FLP[2∶0]来设定，ADC输出和设定的关断温度值相T_温度关断比较，T_温度关断值可以通过寄存器的SHUTDWN[3∶0]位设定。如果外部温度超过了设定的阈值温度，电路关断不工作，一旦电路温度低于设定的阈值温度，电路恢复工作。如果不用外部温度保护控制功能，可以不接外接热敏电阻，这时可以用一只50～500kΩ的电阻连接于外部过温度保护引脚与地GND引脚之间。

对外部过温度保护，利用寄存器的比特位EOTP_SZLP[2∶0]可以设定第二级低通滤波器的2ms滤波时间常数，这个滤波器可以对ADC的输出信号滤波，如果外部温度高于T_温度eOTP，通过内部电路可以降低内部的调光控制电平，大的滤波时间常数可以确保电路稳定的调光，不至于出现调光工作不稳定，温度设定关系为：T_温度eOTP<T_温度唤醒<T_温度关断。相关温度值的设定可以通过对有关寄存器的设定来实现，具体实现方法可以参见有关技术资料，外部过温度保护的阻抗与温度之间的关系曲线图4-250所示。

图4-250 外部过温度保护的阻抗与温度之间的关系曲线

（9）CS1631内含电源线标定电路，在不使用附加电路连接的情况下可以完成标定和驱动终端电路设定的功能，电路工作原理框图如图4-251所示。

电源线标定利用相控技术来产生有关数据和归零数据解码，无需时钟同步。利用输入相位信号可以产生编码/命令信号，在检测到初始设定模式命令时，CS1631开始进入标定工作模式，一旦照明系统的关

图4-251 电路工作原理框图

键参数被设定和判定用途时，内部的代码和终端设定模式命令发出时，整个设定过程无需人的介入，在CS1631内部的寄存器允许通过电源线标定实现多达3个修改LED工作电流的命令，6个寄存器存储这3个两路LED色控制参数。有关细节内容可参见有关技术资料。

1）CS1631对PLC通信或I²C通信端口提供寄存器锁定控制功能，以免未授权进入专用寄存器获取有关数据，这里用到了32位字长的密码保护来进入过温度保护寄存器，通过设定锁定关键字寄存器可以实现这一功能。通过设定寄存器的比特位LOCKOUT可以使能寄存器锁定功能。

2）采用通信功能的目的是为器件提供传输数据的功能，引脚SDA和SCL是EXL核内控制寄存器通信接口，如果使用中不用I²C通信功能，可以将SDA和SCL接到V_DD，当SDA和SCL连接到V_DD后，读/写寄存器值受控于EXL核。

一次设定存储器（过温度保护）用于存储调节和有关关键数据，在加电复位后（POR），一次设定存储器（过温度保护）加载，并且周期性的对来自过温度保护存储器的数据进行CRC校验（循环冗余纠错检错算法），如果CRC校验有误，可以采用缺省值。为确保I²C通信的正常进行，应遵从有关通信协议。

一次设定存储器（过温度保护）为8位，有128个可寻址字节，内容可以通过I²C通信端口读和复位，影子寄存器内的值用于控制内部工作参数，并且可以修改，但是，在加电复位或任何复位的情况下，影子寄存器内的值需利用一次设定存储器（过温度保护）内的值重写，在正常工作期间如果CRC验证失败，利用一次设定存储器（过温度保护）内的值重写，不管影子寄存器内值的任何变化。

在加电复位期间，在经历了一次设定存储器（过温度保护）的数据加载后，就开始CRC校验，通过写进CRC终止寄存器可以终止CRC的工作，在加电复位期间从一次设定存储器（过温度保护）可以再加载影子寄存器中的内容。

4.9.2.2 采用CS631的9WLED相控调光驱动电路

1.电路特点

（1）电路启动快；

（2）调光无发光闪烁；

（3）电流稳定性：小于±5%；

（4）额定输出功率：7.32W；

（5）额定输入功率：9.72W；

（6）恒流输出准谐振Flyback变换；

（7）红光LED串输出电压：V_红=10V；

（8）交流输入市电供电：AC230V±10%；

（9）4只白光LED串输出电压：V_白=12.96V；

（10）两路LED负载串独立工作，工作稳定性调节控制互不影响；

（11）工作效率：419mA，4只白光LED串联，190mA，5只红光LED串联，两路LED串输出时工作效率为75.33%。

2.电路工作原理

该电路是一款工作于谐振AC/DC变换恒流两路输出的相控调光电路。同时具有LED混色应用场合两串LED负载串中单路LED负载串温度补偿功能，适用于LED A19和PAR灯的应用场合^[80]。

CS1631通过内部的数控算法可以在宽的交流输入市电供电范围内（AC207～253V）获得高工作效率和高功率因数。CS1631内部集成了CRM工作模式的升电压输出PFC电路，具有恒流输出的调光控制兼容性，第二级变换级为准谐振Flyback变换级。内部的自适应调光控制兼容性算法控制PFC变换和调光控制兼容性，可以获得调光无发光闪烁的调光控制效果，可用于前沿相控调光、后沿相控调光、无调光和数控调光应用场合。CS1631的交叠式两路LED输出可以获得独立的恒流控制特性。外接负温度系数热敏电阻可以实现在环境温度变化时LED工作电流的温度补偿和色温补偿。

CS1631的反馈控制环路通过内部的数控电路闭环，频率抖动技术可以降低电路的EMI，输出开路/短路、过温度保护等保护算法可以保护电路可靠工作。电路工作原理图如图4-252所示。

图4-252 电路工作原理图