|
作者：江萬春，英飛凌科技應(yīng)用中心 FAE主任工程師；錢家法，英飛凌科技應(yīng)用中心 FAE經(jīng)理 1. 引言 近年來，LED光源要求LED驅(qū)動器支持越來越寬的輸出電壓范圍（比如25%-100%）以及輸出電流范圍（比如1%~100%，甚至0.1%-100%），以實現(xiàn)更寬的調(diào)光范圍。為了提高LED驅(qū)動電源的通用性，要求使用同一個驅(qū)動電源支持不同的LED光源。同時要求線路簡單，低成本，高效率，高可靠性，長壽命等。 采用16腳封裝，集成PFC和半橋諧振控制器的ICL5101，并使用LCC拓撲很好的實現(xiàn)了以上目標，它的高集成度可減少外部元件數(shù)量，非常合適結(jié)合LCC高性能的優(yōu)勢。實現(xiàn)了極寬的輸出電壓電流范圍（電壓25%-100%， 電流0-100%），并且滿載效率超過93%，同時電路簡單，成本低。由于LCC的特性，它也可以實現(xiàn)無次級電流反饋恒流。 2. LLC與LCC拓撲的輸出范圍 為了應(yīng)對輸出燈珠數(shù)和驅(qū)動電流的多樣性，減少LED驅(qū)動電源的項目數(shù)目，需要盡可能的提高驅(qū)動電源的通用性，對輸出電壓電流范圍就要求比較寬。 目前大功率恒流LED驅(qū)動電源的設(shè)計，比較常見的軟開關(guān)拓撲是LLC，它的輸出V-I特性如圖-1所示。從圖中可見，LLC拓撲的輸出電壓、電流范圍下限都比較高。隨著用戶對調(diào)光要求的越來越高，LLC拓撲的這種輸出特性的局限性也越來越明顯。如果輸出直接恒流，LLC拓撲在恒流時的電壓不能夠達到很低，即對燈珠個數(shù)的適應(yīng)性有較大局限性；當需要對電壓相對固定的特定燈串時進行調(diào)光的時候，調(diào)光電流在相對較窄的頻率范圍內(nèi)不能達到比較低范圍。如果需要做到深的調(diào)光深度，往往需要間歇工作以達到小的平均電流，甚至采用額外一級DC/DC電流來實現(xiàn)，產(chǎn)生額外的紋波電流或增加系統(tǒng)成本及降低效率。 一種更有優(yōu)勢的拓撲LCC被提出，在相對較窄的頻率范圍內(nèi)，它可以將輸出電壓和電流的下限降低，如果圖-1的箭頭所示。降低后將會達到圖-2所示的范圍，輸出電壓和電流的下限幾乎可以到達零，極大的提高了驅(qū)動電源的適應(yīng)性。 
3. LLC與LCC拓撲和一些輸出特性 圖-3和圖-5分別是LLC和LCC的拓撲圖，LCC拓撲相對LLC只是將于負載并聯(lián)的電感換成電容，最后是由一個電感，一個串聯(lián)的電容，一個與負載并聯(lián)的電容構(gòu)成。 圖-4和圖-6分別是LLC與LCC的輸出電流隨頻率的變化曲線，不同曲線代表不同負載電阻條件。
兩圖中虛線是恒流軌跡線，當負載電阻變化時，工作頻率需要做相應(yīng)的變化使得電流保持穩(wěn)定不變，從圖-4中可以看出，采用LLC拓撲實現(xiàn)恒流輸出時，不同負載線之間的間隔較大，意味著頻率變化較大。而從圖-6中可以看出，采用LCC拓撲實現(xiàn)恒流輸出時，不同負載線之間的間隔比較緊密，意味著頻率變化較小。也就是說，LCC拓撲實現(xiàn)恒流時，頻率隨負載變化的范圍比LLC的要小很多。 同樣可以做類似分析，當固定輸出電壓時做調(diào)光應(yīng)用，LCC同樣可以比LLC實現(xiàn)更小的頻率變化范圍，而且電流調(diào)節(jié)深度更深。 另外輸出短路的性能對驅(qū)動電源來說也是一個非常重要的指標，對LLC拓撲來說，負載電阻減小至短路時，由于其與Lm并聯(lián)，諧振腔阻抗的感性部分將會減弱，容性將會增強而容易進入容性區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管容易出現(xiàn)硬開關(guān)（在最低工作頻率小于諧振頻率時）。而對LCC拓撲來說，負載電阻減小至短路時，由于其與Cp并聯(lián)，諧振腔阻抗的容性部分將會減弱，感性將會增強，電路仍然工作在安全的感性區(qū)。LCC的最小工作頻率會設(shè)計大于（甚至遠大于）串聯(lián)電感和串聯(lián)電容的諧振頻率以保證電路工作在感性區(qū)實現(xiàn)ZVS，輸出短路的時候，頻率會減小，但會被限制在最小工作頻率。通過合理地設(shè)計諧振腔，短路電流可以做到稍大于額定輸出電流,比如110%-120%。 從圖-6可以看到，存在著某一個頻率點，這個頻率是諧振電感與兩個電容都是串聯(lián)時的諧振頻率，不同負載電阻變化時，電流會匯聚在一個固定點。說明如果電路工作在這個頻率時，輸出電流無需電流采樣作為反饋而自然實現(xiàn)恒流。利用這個特點，可以省略電流采樣和反饋電路，使得整體電路更具有成本競爭性，甚至可以與“PFC+反激”的拓撲競爭，使其有競爭力的功率應(yīng)用范圍變得更廣，小到30W，大到300W。 4. 實例 這里采用英飛凌的高集成度控制器ICL5101來實現(xiàn)一個120W的LCC恒流LED驅(qū)動電源。 圖-7是LCC拓撲結(jié)構(gòu)，采用次級電流采樣做恒流反饋，并能實現(xiàn)0-10V調(diào)光的示意電路。PFC開關(guān)管采用了英飛凌的高性價比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6，LCC開關(guān)管采用英飛凌針對消費市場的低成本CE系列CoolMOSTM IPD60R650CE。兩個型號均為TO-252貼片封裝，無散熱器，整體電路非常簡潔。 圖-8是省略次級電流采樣反饋的示意電路，工作在固定頻率，整體電路更加精簡，整機成本可以與“PFC+反激”拓撲競爭。考慮到效率等因素，整體成本甚至更低。
作為說明，這里對有次級電流反饋的，采用圖-7所示電路形式的實例做了實際測試。 這個實例的輸出電壓范圍是20-80V，如果保證次級Vcc的供電，實際輸出電壓下限可以更低；輸出電流范圍是0mA-1.5A。 表-1是輸出電流與頻率在不同輸出電壓條件下的數(shù)據(jù)，圖-9是根據(jù)此數(shù)據(jù)畫出的曲線。整個輸出電壓（20-80V），輸出電流（0.01-1.5A）范圍內(nèi)，頻率的變化范圍也只有80kHz左右的變化。特別是恒流在最大電流時，頻率的變化范圍只有幾kHz,恒定電壓在80V調(diào)光時，頻率范圍是39kHz左右。 表-1 輸出電壓，電流與頻率數(shù)據(jù)
表-2 230Vac輸入下的輸出電壓，電流與效率數(shù)據(jù)
表-3 不同輸入電壓下的滿載效率和紋波電流數(shù)據(jù)
在230Vac的輸入條件，80V、1.5A的條件下得到最高的效率93.1%。詳細數(shù)據(jù)如表-2和圖-10所示。表-3是全電壓范圍下的滿載效率和紋波電流數(shù)據(jù)。可以看出紋波電流的表現(xiàn)也很優(yōu)秀，峰-峰值小于2.5%，都在70mA以下。 另外,ICL5101的THD和PF性能也很出色，詳細數(shù)據(jù)分別如圖-11和圖-12所示。100%負載下，THD可低于5%。甚至在50%負載及277Vac條件下，THD小于10%，遠低于EN61000-3-2 class C 要求。
最后是短路電流，實測值是1.7A，比較接近滿載電流1.5A，這也是LCC比較LLC的主要優(yōu)點之一。 5. 結(jié)論 LCC拓撲可以在較窄的頻率變化范圍內(nèi),實現(xiàn)極寬的輸出電壓及電流調(diào)節(jié)范圍。基于英飛凌單芯片集成“PFC+半橋諧振”控制器ICL5101，可以很容易地實現(xiàn)高效率、低THD和高PF值。集成的控制IC，還可以大幅度簡化電路，減少元器件數(shù)量。并且ICL5101提供了無次級電流采樣反饋做恒流的選項，使系統(tǒng)變得更緊湊，該IC所有工作參數(shù)均可通過簡單的外圍電阻進行調(diào)節(jié)，是實現(xiàn)可靠的配置設(shè)計的理想選擇。全面的保護功能，包括容性模式保護和可調(diào)節(jié)的外部過熱保護，加強了故障情況檢測，提高系統(tǒng)的可靠性。 |
