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再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优

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对于于LED电源来讲,直接驱动LED光源一般要求恒流输出,愈来愈宽的输出电压电流规模要求使患上LLC拓扑愈来愈难满意要求,出格因低输出纹波要求而不克不及进入间歇模式。由于LCC拓扑可以更易实现宽输出电压电流规模要求,最近几年来在LED驱动器上获得愈来愈多接纳,此中ICL5101/02作为集成PFC以及半桥谐振节制器,同时撑持LLC及LCC拓扑,因为高度集成(SO-16集成PFC+半桥),优秀的THD,低待机功耗,较好的满意了客户的要求。

LCC拓扑用在照明上虽然不是全新的拓扑(广泛用于日光灯驱动器,好比英飞凌的ICB2FL01/2/3等,只不外不需要用到断绝变压器),不外使用在LED驱动器上,照旧近几年的事。比拟LLC拓扑,研发工程师们对于LCC拓扑尚未那末认识,在设计/优化LCC拓扑电源时碰到环境比力多,在此分享一些咱们的经验,但愿抛砖引玉,重要包孕如下内容:

- LLC与LCC的重要区分及优错误谬误

- 基于ICL5102使用LCC拓扑的运用经验

- 基于ICL5102参考样品测试成果

1. LLC与LCC的重要区分及优错误谬误

在上一篇文章《接纳LCC拓扑实现宽输出规模中年夜功率LED驱动电源》已经经扼要先容过LLC以及LCC拓扑的区分和LCC拓扑运用在恒流LED电源的利益。一样作为谐振软开关拓扑,LCC以及LLC同样是零电压导通实现高效率,在拓扑选择上,需要尽可能了各自的优错误谬误和客户的详细要求,如下谈谈几方面的对于比。

电路拓扑

LLC拓扑(图1):变压器低级电感与负载等效电阻的并联后,再接踵串联谐振电感与谐振电容

LCC拓扑(图2):在LLC电路上,接纳比力年夜的谐振电感值,并联一个电容在变压器低级或者次级绕组上,同时谐振变压器不磨气隙,励磁电感量比力年夜(好比Lp>10mH),可以纰漏低级电感而类似以为负载等效电阻Re并联谐振电容Cp,再接踵串联谐振电感Ls调和振电容Cs

输出规模

一样的事情频率规模,LCC可以比LLC提供宽许多的输出电压电流规模:从电路上看LLC在输出电流等于0时,最小输出电压由输入电压Vab,Lm与Ls,Cs的分压决议,当频率增长到必然值后,Cs的电压降靠近0,继承增长频率也没法进一步减小输出电压(再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化);而LCC由于Cp并联在变压器低级或者次级,跟着事情频率的增长,Cp的等效阻抗愈来愈靠近0,Vo_min可以靠近0(image.png)。这是为何LCC拓扑可以实现超宽输出电压电流规模的缘故原由。

参考下图的仿真计较(样品实例),Ls=700uH,Cs=22nF(跨接在NSA及NSB上),Cp=4.2nF,NP:NSA:NSB=33:12:12,事情频率规模是60-250kHz,可以实现输出电压电流(图3):28.9V,0-2800mA;50V,0-2500mA;60V,0-2333mA;70V,0-2000mA;75V,0-1750mA;将Cs改成8nF,可以实现输出电压电流(图4)13.2V,0-2800mA;50V,0-2500mA;60V,0-2333mA;70V,0-2000mA;80V,0-1750mA。差别的并联电容Cp取值会对于最年夜最小输出电压及整机的效率有影响(电容越年夜,输出规模越宽,无功容性电流越年夜,器件内电阻的损耗也会越年夜),接纳LLC拓扑,要实现这么宽的输出电压电流规模是不克不及想象的,尤为在无频闪要求不克不及进入间罢工作模式和需要确保充足高的转换效率条件下。

再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化

图3  Cp=4.2nF

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图4  Cp=8nF

短路特征

由于LCC拓扑有很好的“恒流”特征,以是有很是好的抗输出短路能力,合理的设计可以确保短路时的输出电流比最年夜输出电流稍年夜,只要VCC高于欠压掩护点,可以在输出短路的时辰连续不变事情;而对于于LLC拓扑,在短路或者过载的时辰,假如输出电压降低太多又没有触发欠压掩护,就可能呈现输出电流过年夜而废弃的环境。

转换效率

一样都是零电压导通软开关谐振,LCC以及LLC的效率理论上没有差异,详细项目由于器件的损耗,尤为是谐振电感的铜铁损优化的水平会有差别的成果。详细来讲,LCC由于变压器励磁电感很年夜,励磁电流比LLC要小患上多;由于接纳比力年夜的谐振电感值,年夜电感量有助降低半桥的最年夜电流,在开机及输出短路时的应力小许多,可以接纳比力小的开关管以优化成本。文末参考设计在Vin=230Vac及80V1.75A输出时,板端效率94.97%。

谐振零件

如上述,LCC凡是要求比力年夜的谐振电感量,统筹最年夜峰值电流(尤为在“输出恒功率”运用),谐振电感的尺寸会比力年夜,同时需要一个并联在变压器主绕组上的电容。总的来讲,LCC拓扑可以年夜幅度拓宽输出规模,增长设计的矫捷性,而且不需要进入间罢工作模式从而实现彻底无频闪。

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2. ICL5102运用经验

英飞凌PFC+LLC/LCC谐振节制集成电路ICL5102,是在ICL5101的根蒂根基上,重要拓展最年夜事情频率到500kHz,进一步拓宽输出电压/电流规模,提高整机效率;增长间罢工作模式,实现低待机功耗;进一步优化PFC设计,谐波掉真THD更好;增长输入欠压掩护。

实现低待机功耗

见图5,恒流/恒压反馈电路经由过程光耦节制BM脚电压,跟着输出电流/电压的减小,BM脚电压慢慢降低,事情频率增长,当BM脚(Pin10)电压低于0.75V并跨越10mS,半桥进入间罢工作模式。现实测试ICL5102在超宽输出规模运用,也实现了400mW待机功耗。

- 封闭间罢工作模式

对于于待机功耗以及/或者启动时间要求不高的运用,可以加年夜图5中的RBM_DA使其年夜于(3/7)*RBM便可封闭间罢工作模式以免轻载时可能呈现的闪耀。

再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化

图5 RBM_DA功效

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图6 简化Vcc电路

- 简化Vcc电路

可用上拉电阻+PFC辅助绕组充电泵,可使VCC电压与输出电压无关,见图6所示。

- 对于于最低输出电流比力年夜又有待机要求的运用

可使能间罢工作模式,并设置最年夜事情频率小于空载连续事情时的事情频率,让电源在空载时进入间歇模式,降低空载功耗。好比输出83伏/0毫安时,半桥的事情频率是186kHz,可以设置最年夜事情频率在170kHz,在输出83V空载时也能够进入间歇模式实现较低的待机功率,不外最小输出电流会比力年夜,好比200mA。

- 对于于智能照明(好比Dali带dim-to-off)

可以在调光电压稍年夜于0V时进入间歇模式,也能够降低待机时的输出电压进一步降低待机功率,以下图7:在DIM+低于某一值(好比0.1V)U2-PIN7输出低电平,T2开路,Vout降低(好比32V);

正常事情时,U2-PIN7输出高电平,T2类似短路,最高输出电压升高(好比83V)。

- 对于于最小输出电流很是靠近0的运用

可以加之一个“间歇模式使能”开关并设置适合的RBM-DA及RBMDA-2电阻值(图8):

待机时(好比DIM+电压小于0.1V)运放U2B拉低STB(图7),PC2 PIN3-4短路RBMDA-2(图8),进入间罢工作模式实现低待机功耗,正常事情时拉高STB,PC2 PIN3-4开路,克制间歇模式,防止频闪。

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图7 待机时降低输出电压电路

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图8 间歇模式使能电路

- 外加启动电路:

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图9 外加启动电路

对于于待机功耗要求高的运用,需使用外加启动电路。如图9所示,接入交流后,由于耗尽型MOSFET T3的VGS=0V, T3导通,电流从PFC+,R5,T3,R40等对于VCC电容充电,当VCC电压到达16V启动电压后,节制器最先事情,PFC电压连续升高,半桥开启后延迟必然的时间T4导通,T3 VGS被负电压偏置而截至,启动历程竣事。

当半桥住手事情后约100毫秒(与R57,C27时间常数有关)T3从头导通给Vcc电容充电以再次启动IC;在T3导通期件,稳压二极管D23(18V)避免孕育发生太高的Vcc电压(好比最年夜19V),然后经由过程电阻R40确保加载在IC Vcc上的电压不会跨越16.5V/5mA。

雷击时上述电路可以快速开释PFC电容上的高电压:启动电路在半桥住手事情后约100毫秒从头最先事情,将PFC输出电容放电到105%如下而排除PFC过压掩护,半桥从头最先事情,防止轻载打雷击时永劫间熄灯的环境。现实测试在4.5kV差模雷击电压,输出26V/100mA的时辰,起首触发PFC109%过压掩护,PFC开关住手事情,然后触发PFC 115%过压掩护,半桥住手事情,由于启动电路的放电作用,约莫0.6秒后PFC电容降到105%,过压掩护排除,半桥恢复事情,负载LED再次被点亮。

-优化半桥上下管的“不服衡”问题

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图10 优化半桥的不服衡

重要防止BM脚(PIN10)被滋扰,由于Pin10与光耦相连,铜箔比力长,尤为从强滋扰源阁下经由过程的环境下。串联一个电阻在BM脚与光耦之间(见图10的“R4”)同时在PIN10与PIN4(GND)之间加2.2nF电容(若有须要可以再加一个电容“CB”只管即便接近IC)以减小滋扰电压转化而来的滋扰电流对于事情频率的滋扰致使半桥事情不服衡或者不不变。

- 谐振腔设计

建议反射电压(输出电压×变压器匝比)约等于PFC输出电压的一半,年夜的反射电压需要年夜的并联谐振电容Cp致使较低的效率,要均衡好增益余量以及效率的瓜葛,建议思量元件偏差,接纳仿真及最差样品测试,确保质料偏差切合要求;在所有参数最差的前提下,不克不及呈现增益不足的环境;同时防止过量的增益余量致使效率降低。

- 最小调光能力

如前所述,LCC拓扑可以在很是宽的输出电压规模内,最小输出电流可以到0mA------最小调光能力更多挑战次级电流侦测运放的精度:太小的电流检测电阻要求低运放的掉调电压,较年夜的电流侦测电阻致使比力年夜的电流检测损耗(I2R)。好比使用LM358A,掉调电压+/-3毫伏,假如接纳75毫欧电流侦测电阻,最小的输出电流就是+/-40毫安,由于Iout_max=1.75A,最小的调光就是40/1750=+/-2.3%,除了非接纳更年夜的采样电阻(损耗变年夜)或者更小掉调电压的运放(价格更高),最小调光没法进一步减小。

-输入欠压掩护(BO)

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图11 输入欠压掩护

BO(Pin12)的电压跨越1.4V并维持1uS,IC最先事情;假如BO脚的电压低于1.2V并维持50mS,IC住手事情等候BO(Pin12)的电压跨越1.4V并维持1uS再恢复事情。建议加一个10nF/1kV的瓷片电容(图11中的”C7”),以免呈现欠压掩护后重复重启的环境。

3. ICL5102参考样品测试成果实例

接纳英飞凌ICL5102实现140W的PFC + LCC拓扑超宽输出电压规模LED驱动电源。如下是详细规格。

参考样品接纳LCC拓扑布局,次级采样实现恒流反馈,并能实现0-10V调光。PFC开关管接纳了英飞凌的高性价比P7系列CoolMOSTM IPA60R180P7,LCC开关管接纳英飞凌CoolMOSTM IPD60R600P7。

现实测试V-I曲线如图12中的红线所示,红线包抄的规模就是此电源的输出规模,右上红色线段是输出功率等于140W的区间。输出电压以及输出电流的规模都能到达上面表格1的极宽的规模。

图中的蓝色线是输入电压为230V,输出电流为最年夜值2.8A前提下,在板端测试获得的效率曲线,

图12中绿色的四个点对于应输出功率140W前提下输出电压从50V到80V的效率,总体效率到达93%以上,最高到达94.93%,这都是在实现极宽输出规模下仍旧获得的机能。

蓝色效率线上的蓝色点是轻载效率,在12V,2.8A前提下效率靠近80%,而20V,2.8A的25%负载前提下仍旧到达85%以上。

ICL5102同时提供很是好的PFC转换机能,图13是差别输入led灯珠芯片厂家电压及负载前提下的谐波掉真THD:230Vac 100%负载,THD低于5%;285Vac 70%负载,THD小于10%,远低于EN61000-3-2 class C要求。

4. 结论

英飞凌集成“PFC+半桥谐振”节制器ICL5102,接纳LCC拓扑可以在较窄的频率变化规模内,实现超宽的输出电压及电流调治规模,在宽输出电压电流运用比拟LLC拓扑有较年夜上风。

还有针对于高压输入运用(Vin=480ac)的版本ICL5102HV。

(作者:江万春 英飞凌科技运用中央 FAE主任工程师

钱家法 英飞凌科技运用中央 FAE司理)


标签:LED驱动电源LCC拓扑

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