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
2021-04-13 |
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資料介紹
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(dòng)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(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?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。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93%,同時(shí)電路簡單,成本低。由于LCC的特性,它也可以實(shí)現(xiàn)無次級電流反饋恒流。
2. LLC與LCC拓?fù)涞妮敵龇秶?
為了應(yīng)對輸出燈珠數(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),比較常見的軟開關(guān)拓?fù)涫荓LC,它的輸出V-I特性如圖-1所示。從圖中可見,LLC拓?fù)涞妮敵鲭妷?、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?fù)涞倪@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?fù)湓诤懔鲿r(shí)的電壓不能夠達(dá)到很低,即對燈珠個(gè)數(shù)的適應(yīng)性有較大局限性;當(dāng)需要對電壓相對固定的特定燈串時(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DC/DC電流來實(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)勢的拓?fù)銵CC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(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LC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,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驅(qū)動(dòng)電源來說也是一個(gè)非常重要的指標(biāo),對LLC拓?fù)鋪碚f,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(shí))。而對LCC拓?fù)鋪碚f,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)。說明如果電路工作在這個(gè)頻率時(shí),輸出電流無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爭性,甚至可以與“PFC 反激”的拓?fù)涓偁帲蛊溆懈偁幜Φ墓β蕬?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開關(guān)管采用了英飛凌的高性價(jià)比P6系列CoolMOSTMIPD60R190P6,LCC開關(guān)管采用英飛凌針對消費(fèi)市場的低成本CE系列CoolMOSTMIPD60R650CE。兩個(gè)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(jī)成本可以與“PFC 反激”拓?fù)涓偁???紤]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(shí)例做了實(shí)際測試。
這個(gè)實(shí)例的輸出電壓范圍是20-80V,如果保證次級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。
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20V
40V
60V
80V
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