大功率恒流LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)：LLC與LCC拓?fù)滟Y料下載

作者：江萬(wàn)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(lái)，LED光源要求LED驅(qū)動(dòng)器支持越來(lái)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(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)光范圍。為了提高LED驅(qū)動(dòng)電源的通用性，要求使用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源支持不同的LED光源。 同時(shí)要求線路簡(jiǎn)單，低成本，高效率，高可靠性，長(zhǎng)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?fù)浜芎玫膶?shí)現(xiàn)了以上目標(biāo)，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(shì)。實(shí)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(guò)93%，同時(shí)電路簡(jiǎn)單，成本低。由于LCC的特性，它也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)次級(jí)電流反饋恒流。 2. LLC與LCC拓?fù)涞妮敵龇秶? 為了應(yīng)對(duì)輸出燈珠數(shù)和驅(qū)動(dòng)電流的多樣性，減少LED驅(qū)動(dòng)電源的項(xiàng)目數(shù)目，需要盡可能的提高驅(qū)動(dòng)電源的通用性，對(duì)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(dòng)電源的設(shè)計(jì)，比較常見(jiàn)的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涫荓LC，它的輸出V-I特性如圖-1所示。從圖中可見(jiàn)，LLC拓?fù)涞妮敵鲭妷?、電流范圍下限都比較高。隨著用戶對(duì)調(diào)光要求的越來(lái)越高，LLC拓?fù)涞倪@種輸出特性的局限性也越來(lái)越明顯。如果輸出直接恒流，LLC拓?fù)湓诤懔鲿r(shí)的電壓不能夠達(dá)到很低，即對(duì)燈珠個(gè)數(shù)的適應(yīng)性有較大局限性；當(dāng)需要對(duì)電壓相對(duì)固定的特定燈串時(shí)進(jìn)行調(diào)光的時(shí)候，調(diào)光電流在相對(duì)較窄的頻率范圍內(nèi)不能達(dá)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(dá)到小的平均電流，甚至采用額外一級(jí)DC/DC電流來(lái)實(shí)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(shì)的拓?fù)銵CC被提出，在相對(duì)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(huì)達(dá)到圖-2所示的范圍，輸出電壓和電流的下限幾乎可以到達(dá)零，極大的提高了驅(qū)動(dòng)電源的適應(yīng)性。 3. LLC與LCC拓?fù)浜鸵恍┹敵鎏匦? 圖-3和圖-5分別是LLC和LCC的拓?fù)鋱D，LCC拓?fù)湎鄬?duì)LLC只是將于負(fù)載并聯(lián)的電感換成電容，最后是由一個(gè)電感，一個(gè)串聯(lián)的電容，一個(gè)與負(fù)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(fù)載電阻條件。 兩圖中虛線是恒流軌跡線，當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，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?fù)鋵?shí)現(xiàn)恒流輸出時(shí)，不同負(fù)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?fù)鋵?shí)現(xiàn)恒流輸出時(shí)，不同負(fù)載線之間的間隔比較緊密，意味著頻率變化較小。也就是說(shuō)，LCC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)恒流時(shí)，頻率隨負(fù)載變化的范圍比LLC的要小很多。 同樣可以做類似分析，當(dāng)固定輸出電壓時(shí)做調(diào)光應(yīng)用，LCC同樣可以比LLC實(shí)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(duì)驅(qū)動(dòng)電源來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，對(duì)LLC拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，負(fù)載電阻減小至短路時(shí)，由于其與Lm并聯(lián)，諧振腔阻抗的感性部分將會(huì)減弱，容性將會(huì)增強(qiáng)而容易進(jìn)入容性區(qū)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管容易出現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)（在最低工作頻率小于諧振頻率時(shí)）。而對(duì)LCC拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，負(fù)載電阻減小至短路時(shí)，由于其與Cp并聯(lián)，諧振腔阻抗的容性部分將會(huì)減弱，感性將會(huì)增強(qiáng)，電路仍然工作在安全的感性區(qū)。LCC的最小工作頻率會(huì)設(shè)計(jì)大于（甚至遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)ZVS，輸出短路的時(shí)候，頻率會(huì)減小，但會(huì)被限制在最小工作頻率。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)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(gè)頻率點(diǎn)，這個(gè)頻率是諧振電感與兩個(gè)電容都是串聯(lián)時(shí)的諧振頻率，不同負(fù)載電阻變化時(shí)，電流會(huì)匯聚在一個(gè)固定點(diǎn)。說(shuō)明如果電路工作在這個(gè)頻率時(shí)，輸出電流無(wú)需電流采樣作為反饋而自然實(shí)現(xiàn)恒流。利用這個(gè)特點(diǎn)，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(jìng)爭(zhēng)性，甚至可以與“PFC 反激”的拓?fù)涓?jìng)爭(zhēng)，使其有競(jìng)爭(zhēng)力的功率應(yīng)用范圍變得更廣，小到30W，大到300W。 4. 實(shí)例 這里采用英飛凌的高集成度控制器ICL5101來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)120W的LCC恒流LED驅(qū)動(dòng)電源. 圖-7是LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用次級(jí)電流采樣做恒流反饋，并能實(shí)現(xiàn)0-10V調(diào)光的示意電路。PFC開(kāi)關(guān)管采用了英飛凌的高性價(jià)比P6系列CoolMOSTMIPD60R190P6，LCC開(kāi)關(guān)管采用英飛凌針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)的低成本CE系列CoolMOSTMIPD60R650CE。兩個(gè)型號(hào)均為TO-252貼片封裝，無(wú)散熱器，整體電路非常簡(jiǎn)潔。 圖-8是省略次級(jí)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(jiǎn)，整機(jī)成本可以與“PFC 反激”拓?fù)涓?jìng)爭(zhēng)。考慮到效率等因素，整體成本甚至更低。 作為說(shuō)明，這里對(duì)有次級(jí)電流反饋的，采用圖-7所示電路形式的實(shí)例做了實(shí)際測(cè)試。 這個(gè)實(shí)例的輸出電壓范圍是20-80V，如果保證次級(jí)Vcc的供電，實(shí)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(gè)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(shí)，頻率的變化范圍只有幾kHz,恒定電壓在80V調(diào)光時(shí)，頻率范圍是39kHz左右。 ? 20V 40V 60V 80V