采用LCC拓扑实现宽输出范围中大功率LED驱动电源

2016-09-08来源: 互联网关键字:驱动器  电流  电阻
1. 引言
 
近年来,LED光源要求LED驱动器支持越来越宽的输出电压范围(比如25%-100%)以及输出电流范围(比如1%~100%,甚至0.1%-100%),以实现更宽的调光范围。为了提高LED驱动电源的通用性,要求使用同一个驱动电源支持不同的LED光源。同时要求线路简单,低成本,高效率,高可靠性,长寿命等。
采用16脚封装,集成PFC和半桥谐振控制器的ICL5101,并使用LCC拓扑很好的实现了以上目标,它的高集成度可减少外部元件数量,非常合适结合LCC高性能的优势。实现了极宽的输出电压电流范围(电压25%-100%, 电流0-100%),并且满载效率超过93%,同时电路简单,成本低。由于LCC的特性,它也可以实现无次级电流反馈恒流。
 
 
2. LLC与LCC拓扑的输出范围 
 
为了应对输出灯珠数和驱动电流的多样性,减少LED驱动电源的项目数目,需要尽可能的提高驱动电源的通用性,对输出电压电流范围就要求比较宽。
目前大功率恒流LED驱动电源的设计,比较常见的软开关拓扑是LLC,它的输出V-I特性如图-1所示。从图中可见,LLC拓扑的输出电压、电流范围下限都比较高。随着用户对调光要求的越来越高,LLC拓扑的这种输出特性的局限性也越来越明显。如果输出直接恒流,LLC拓扑在恒流时的电压不能够达到很低,即对灯珠个数的适应性有较大局限性;当需要对电压相对固定的特定灯串时进行调光的时候,调光电流在相对较窄的频率范围内不能达到比较低范围。如果需要做到深的调光深度,往往需要间歇工作以达到小的平均电流,甚至采用额外一级DC/DC电流来实现,产生额外的纹波电流或增加系统成本及降低效率。
一种更有优势的拓扑LCC被提出,在相对较窄的频率范围内,它可以将输出电压和电流的下限降低,如果图-1的箭头所示。降低后将会达到图-2所示的范围,输出电压和电流的下限几乎可以到达零,极大的提高了驱动电源的适应性。
 
3. LLC与LCC拓扑和一些输出特性
 
图-3和图-5分别是LLC和LCC的拓扑图,LCC拓扑相对LLC只是将于负载并联的电感换成电容,最后是由一个电感,一个串联的电容,一个与负载并联的电容构成。
图-4和图-6分别是LLC与LCC的输出电流随频率的变化曲线,不同曲线代表不同负载电阻条件。 
 

 
两图中虚线是恒流轨迹线,当负载电阻变化时,工作频率需要做相应的变化使得电流保持稳定不变,从图-4中可以看出,采用LLC拓扑实现恒流输出时,不同负载线之间的间隔较大,意味着频率变化较大。而从图-6中可以看出,采用LCC拓扑实现恒流输出时,不同负载线之间的间隔比较紧密,意味着频率变化较小。也就是说,LCC拓扑实现恒流时,频率随负载变化的范围比LLC的要小很多。
同样可以做类似分析,当固定输出电压时做调光应用,LCC同样可以比LLC实现更小的频率变化范围,而且电流调节深度更深。
另外输出短路的性能对驱动电源来说也是一个非常重要的指标,对LLC拓扑来说,负载电阻减小至短路时,由于其与Lm并联,谐振腔阻抗的感性部分将会减弱,容性将会增强而容易进入容性区,导致开关管容易出现硬开关(在最低工作频率小于谐振频率时)。而对LCC拓扑来说,负载电阻减小至短路时,由于其与Cp并联,谐振腔阻抗的容性部分将会减弱,感性将会增强,电路仍然工作在安全的感性区。LCC的最小工作频率会设计大于(甚至远大于)串联电感和串联电容的谐振频率以保证电路工作在感性区实现ZVS,输出短路的时候,频率会减小,但会被限制在最小工作频率。通过合理地设计谐振腔,短路电流可以做到稍大于额定输出电流,比如110%-120%。
从图-6可以看到,存在着某一个频率点,这个频率是谐振电感与两个电容都是串联时的谐振频率,不同负载电阻变化时,电流会汇聚在一个固定点。说明如果电路工作在这个频率时,输出电流无需电流采样作为反馈而自然实现恒流。利用这个特点,可以省略电流采样和反馈电路,使得整体电路更具有成本竞争性,甚至可以与“PFC+反激”的拓扑竞争,使其有竞争力的功率应用范围变得更广,小到30W,大到300W。
 
4. 实例
这里采用英飞凌的高集成度控制器ICL5101来实现一个120W的LCC恒流LED驱动电源.
图-7是LCC拓扑结构,采用次级电流采样做恒流反馈,并能实现0-10V调光的示意电路。PFC开关管采用了英飞凌的高性价比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6,LCC开关管采用英飞凌针对消费市场的低成本CE系列CoolMOSTM IPD60R650CE。两个型号均为TO-252贴片封装,无散热器,整体电路非常简洁。
图-8是省略次级电流采样反馈的示意电路,工作在固定频率,整体电路更加精简,整机成本可以与“PFC+反激”拓扑竞争。考虑到效率等因素,整体成本甚至更低。
 

 
作为说明,这里对有次级电流反馈的,采用图-7所示电路形式的实例做了实际测试。
这个实例的输出电压范围是20-80V,如果保证次级Vcc的供电,实际输出电压下限可以更低;输出电流范围是0mA-1.5A。
表-1是输出电流与频率在不同输出电压条件下的数据,图-9是根据此数据画出的曲线。整个输出电压(20-80V),输出电流(0.01-1.5A)范围内,频率的变化范围也只有80kHz左右的变化。特别是恒流在最大电流时,频率的变化范围只有几kHz,恒定电压在80V调光时,频率范围是39kHz左右。
 
 
在230Vac的输入条件,80V、1.5A的条件下得到最高的效率93.1%。详细数据如表-2和图-10所示。表-3是全电压范围下的满载效率和纹波电流数据。可以看出纹波电流的表现也很优秀,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,详细数据分别如图-11和图-12所示。100%负载下,THD可低于5%。甚至在50%负载及277Vac条件下,THD小于10%,远低于EN61000-3-2 class C 要求。
 

 
最后是短路电流,实测值是1.7A,比较接近满载电流1.5A,这也是LCC比较LLC的主要优点之一。
5. 结论
 
LCC拓扑可以在较窄的频率变化范围内,实现极宽的输出电压及电流调节范围。基于英飞凌单芯片集成“PFC+半桥谐振”控制器ICL5101,可以很容易地实现高效率、低THD和高PF值。集成的控制IC,还可以大幅度简化电路,减少元器件数量。并且ICL5101提供了无次级电流采样反馈做恒流的选项,使系统变得更紧凑,该IC所有工作参数均可通过简单的外围电阻进行调节,是实现可靠的配置设计的理想选择。全面的保护功能,包括容性模式保护和可调节的外部过热保护,加强了故障情况检测,提高系统的可靠性。
 

关键字:驱动器  电流  电阻

编辑:王凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/LED/article_2016090812072.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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