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作者：江萬(wàn)春，英飛凌科技應用中心 FAE主任工程師；錢(qián)家法，英飛凌科技應用中心 FAE經(jīng)理 1. 引言 近年來(lái)，LED光源要求LED驅動(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)現更寬的調光范圍。為了提高LED驅動(dòng)電源的通用性，要求使用同一個(gè)驅動(dòng)電源支持不同的LED光源。同時(shí)要求線(xiàn)路簡(jiǎn)單，低成本，高效率，高可靠性，長(cháng)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(shí)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(yōu)勢。實(shí)現了極寬的輸出電壓電流范圍（電壓25%-100%， 電流0-100%），并且滿(mǎn)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)現無(wú)次級電流反饋恒流。 2. LLC與LCC拓撲的輸出范圍 為了應對輸出燈珠數和驅動(dòng)電流的多樣性，減少LED驅動(dòng)電源的項目數目，需要盡可能的提高驅動(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驅動(dòng)電源的設計，比較常見(jiàn)的軟開(kāi)關(guān)拓撲是LLC，它的輸出V-I特性如圖-1所示。從圖中可見(jiàn)，LLC拓撲的輸出電壓、電流范圍下限都比較高。隨著(zhù)用戶(hù)對調光要求的越來(lái)越高，LLC拓撲的這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拓撲在恒流時(shí)的電壓不能夠達到很低，即對燈珠個(gè)數的適應性有較大局限性；當需要對電壓相對固定的特定燈串時(shí)進(jìn)行調光的時(shí)候，調光電流在相對較窄的頻率范圍內不能達到比較低范圍。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，甚至采用額外一級DC/DC電流來(lái)實(shí)現，產(chǎn)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(yōu)勢的拓撲LCC被提出，在相對較窄的頻率范圍內，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。降低后將會(huì )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，極大的提高了驅動(dòng)電源的適應性。 
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(gè)電感，一個(gè)串聯(lián)的電容，一個(gè)與負載并聯(lián)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(xiàn)，不同曲線(xiàn)代表不同負載電阻條件。
兩圖中虛線(xiàn)是恒流軌跡線(xiàn)，當負載電阻變化時(shí)，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，采用LLC拓撲實(shí)現恒流輸出時(shí)，不同負載線(xiàn)之間的間隔較大，意味著(zhù)頻率變化較大。而從圖-6中可以看出，采用LCC拓撲實(shí)現恒流輸出時(shí)，不同負載線(xiàn)之間的間隔比較緊密，意味著(zhù)頻率變化較小。也就是說(shuō)，LCC拓撲實(shí)現恒流時(shí)，頻率隨負載變化的范圍比LLC的要小很多。 同樣可以做類(lèi)似分析，當固定輸出電壓時(shí)做調光應用，LCC同樣可以比LLC實(shí)現更小的頻率變化范圍，而且電流調節深度更深。 另外輸出短路的性能對驅動(dòng)電源來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常重要的指標，對LLC拓撲來(lái)說(shuō)，負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 )增強而容易進(jìn)入容性區，導致開(kāi)關(guān)管容易出現硬開(kāi)關(guān)（在最低工作頻率小于諧振頻率時(shí)）。而對LCC拓撲來(lái)說(shuō)，負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，電路仍然工作在安全的感性區。LCC的最小工作頻率會(huì )設計大于（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實(shí)現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(zhù)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”的拓撲競爭，使其有競爭力的功率應用范圍變得更廣，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)現一個(gè)120W的LCC恒流LED驅動(dòng)電源。 圖-7是LCC拓撲結構，采用次級電流采樣做恒流反饋，并能實(shí)現0-10V調光的示意電路。PFC開(kāi)關(guān)管采用了英飛凌的高性?xún)r(jià)比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6，LCC開(kāi)關(guān)管采用英飛凌針對消費市場(chǎng)的低成本CE系列CoolMOSTM IPD60R650CE。兩個(gè)型號均為T(mén)O-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)，整機成本可以與“PFC+反激”拓撲競爭�？紤]到效率等因素，整體成本甚至更低。
作為說(shuō)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據，圖-9是根據此數據畫(huà)出的曲線(xiàn)。整個(gè)輸出電壓（20-80V），輸出電流（0.01-1.5A）范圍內，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調光時(shí)，頻率范圍是39kHz左右。 表-1 輸出電壓，電流與頻率數據
表-2 230Vac輸入下的輸出電壓，電流與效率數據
表-3 不同輸入電壓下的滿(mǎn)載效率和紋波電流數據
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是全電壓范圍下的滿(mǎn)載效率和紋波電流數據�？梢钥闯黾y波電流的表現也很優(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，詳細數據分別如圖-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(shí)測值是1.7A，比較接近滿(mǎn)載電流1.5A，這也是LCC比較LLC的主要優(yōu)點(diǎn)之一。 5. 結論 LCC拓撲可以在較窄的頻率變化范圍內,實(shí)現極寬的輸出電壓及電流調節范圍�；谟w凌單芯片集成“PFC+半橋諧振”控制器ICL5101，可以很容易地實(shí)現高效率、低THD和高PF值。集成的控制IC，還可以大幅度簡(jiǎn)化電路，減少元器件數量。并且ICL5101提供了無(wú)次級電流采樣反饋做恒流的選項，使系統變得更緊湊，該IC所有工作參數均可通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電阻進(jìn)行調節，是實(shí)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(guò)熱保護，加強了故障情況檢測，提高系統的可靠性。 |
