採用LCC拓撲實現寬輸出範圍LED驅動電源

江萬春 英飛凌科技應用中心 FAE主任工程師
錢家法 英飛凌科技應用中心 FAE經理


1.    引言

近年來,LED光源要求LED驅動器支持越來越寬的輸出電壓範圍(比如25%-100%)以及輸出電流範圍(比如1%~100%,甚至0.1%-100%),以實現更寬的調光範圍。為了提高LED驅動電源的通用性,要求使用同一個驅動電源支持不同的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。
採用16腳封裝,集成PFC和半橋諧振控制器的ICL5101,並使用LCC拓撲很好的實現了以上目標,它的高集成度可減少外部元件數量,非常合適結合LCC高性能的優勢。實現了極寬的輸出電壓電流範圍(電壓25%-100%, 電流0-100%),並且滿載效率超過93%,同時電路簡單,成本低。由於LCC的特性,它也可以實現無次級電流反饋恆流。


2.    LLC與LCC拓撲的輸出範圍

為了應對輸出燈珠數和驅動電流的多樣性,減少LED驅動電源的項目數目,需要儘可能的提高驅動電源的通用性,對輸出電壓電流範圍就要求比較寬。
目前大功率恆流LED驅動電源的設計,比較常見的軟開關拓撲是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、電流範圍下限都比較高。隨著用戶對調光要求的越來越高,LLC拓撲的這種輸出特性的侷限性也越來越明顯。如果輸出直接恆流,LLC拓撲在恆流時的電壓不能夠達到很低,即對燈珠個數的適應性有較大侷限性;當需要對電壓相對固定的特定燈串時進行調光的時候,調光電流在相對較窄的頻率範圍內不能達到比較低範圍。如果需要做到深的調光深度,往往需要間歇工作以達到小的平均電流,甚至採用額外一級DC/DC電流來實現,產生額外的紋波電流或增加系統成本及降低效率。
一種更有優勢的拓撲LCC被提出,在相對較窄的頻率範圍內,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。降低後將會達到圖-2所示的範圍,輸出電壓和電流的下限幾乎可以到達零,極大的提高了驅動電源的適應性。

(所有圖片來源:英飛凌)



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只是將於負載並聯的電感換成電容,最後是由一個電感,一個串聯的電容,一個與負載並聯的電容構成。
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。

 

兩圖中虛線是恆流軌跡線,當負載電阻變化時,工作頻率需要做相應的變化使得電流保持穩定不變,從圖-4中可以看出,採用LLC拓撲實現恆流輸出時,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,採用LCC拓撲實現恆流輸出時,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拓撲實現恆流時,頻率隨負載變化的範圍比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光應用,LCC同樣可以比LLC實現更小的頻率變化範圍,而且電流調節深度更深。
另外輸出短路的性能對驅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,由於其與Lm並聯,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,導致開關管容易出現硬開關(在最低工作頻率小於諧振頻率時)。而對LCC拓撲來說,負載電阻減小至短路時,由於其與Cp並聯,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。LCC的最小工作頻率會設計大於(甚至遠大於)串聯電感和串聯電容的諧振頻率以保證電路工作在感性區實現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。通過合理地設計諧振腔,短路電流可以做到稍大於額定輸出電流,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,輸出電流無需電流採樣作為反饋而自然實現恆流。利用這個特點,可以省略電流採樣和反饋電路,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用範圍變得更廣,小到30W,大到300W。

4.    實例
這裡採用英飛凌的高集成度控制器ICL5101來實現一個120W的LCC恆流LED驅動電源.
圖-7是LCC拓撲結構,採用次級電流採樣做恆流反饋,並能實現0-10V調光的示意電路。PFC開關管採用了英飛凌的高性價比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6,LCC開關管採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是省略次級電流採樣反饋的示意電路,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,這裡對有次級電流反饋的,採用圖-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範圍是20-80V,如果保證次級Vcc的供電,實際輸出電壓下限可以更低;輸出電流範圍是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據,圖-9是根據此數據畫出的曲線。整個輸出電壓(20-80V),輸出電流(0.01-1.5A)範圍內,頻率的變化範圍也只有80kHz左右的變化。特別是恆流在最大電流時,頻率的變化範圍只有幾kHz,恆定電壓在80V調光時,頻率範圍是39kHz左右。

在230Vac的輸入條件,80V、1.5A的條件下得到最高的效率93.1%。詳細數據如表-2和圖-10所示。表-3是全電壓範圍下的滿載效率和紋波電流數據。可以看出紋波電流的表現也很優秀,峰-峰值小於2.5%,都在70mA以下。
另外,ICL5101的THD和PF性能也很出色,詳細數據分別如圖-11和圖-12所示。100%負載下,THD可低於5%。甚至在50%負載及277Vac條件下,THD小於10%,遠低於EN61000-3-2 class C 要求。

最後是短路電流,實測值是1.7A,比較接近滿載電流1.5A,這也是LCC比較LLC的主要優點之一。

5.    結論

LCC拓撲可以在較窄的頻率變化範圍內,實現極寬的輸出電壓及電流調節範圍。基於英飛凌單芯片集成「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,減少元器件數量。並且ICL5101提供了無次級電流採樣反饋做恆流的選項,使系統變得更緊湊,該IC所有工作參數均可通過簡單的外圍電阻進行調節,是實現可靠的配置設計的理想選擇。全面的保護功能,包括容性模式保護和可調節的外部過熱保護,加強了故障情況檢測,提高系統的可靠性。


 

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