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采用LCC拓?fù)鋵崿F(xiàn)寬輸出范圍LED驅(qū)動電源

出處:電子產(chǎn)世界 發(fā)布于:2016-09-09 15:10:16

    近年來,LED光源要求LED驅(qū)動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%),以實現(xiàn)更寬的調(diào)光范圍。為了提高LED驅(qū)動電源的通用性,要求使用同一個驅(qū)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。
    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)浜芎玫膶崿F(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%,同時電路簡單,成本低。由于LCC的特性,它也可以實現(xiàn)無次級電流反饋恒流。
    LLC與LCC拓?fù)涞妮敵龇秶?/strong>
    為了應(yīng)對輸出燈珠數(shù)和驅(qū)動電流的多樣性,減少LED驅(qū)動電源的項目數(shù)目,需要盡可能的提高驅(qū)動電源的通用性,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)動電源的設(shè)計,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的電壓不能夠達(dá)到很低,即對燈珠個數(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進(jìn)行調(diào)光的時候,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DC/DC電流來實現(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)動電源的適應(yīng)性。


    LLC與LCC拓?fù)浜鸵恍┹敵鎏匦?/strong>
    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,是由一個電感,一個串聯(lián)的電容,一個與負(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,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)鋵崿F(xiàn)恒流輸出時,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)鋵崿F(xiàn)恒流輸出時,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)鋵崿F(xiàn)恒流時,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)固定輸出電壓時做調(diào)光應(yīng)用,LCC同樣可以比LLC實現(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)動電源來說也是一個非常重要的指標(biāo),對LLC拓?fù)鋪碚f,負(fù)載電阻減小至短路時,由于其與Lm并聯(lián),諧振腔阻抗的感性部分將會減弱,容性將會增強(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)(在工作頻率小于諧振頻率時)。而對LCC拓?fù)鋪碚f,負(fù)載電阻減小至短路時,由于其與Cp并聯(lián),諧振腔阻抗的容性部分將會減弱,感性將會增強(qiáng),電路仍然工作在安全的感性區(qū)。LCC的工作頻率會設(shè)計大于(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)實現(xiàn)ZVS,輸出短路的時候,頻率會減小,但會被限制在工作頻率。通過合理地設(shè)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,存在著某一個頻率點,這個頻率是諧振電感與兩個電容都是串聯(lián)時的諧振頻率,不同負(fù)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,輸出電流無需電流采樣作為反饋而自然實現(xiàn)恒流。利用這個特點,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。
    實例
    這里采用英飛凌的高集成度控制器ICL5101來實現(xiàn)一個120W的LCC恒流LED驅(qū)動電源.
    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比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6,LCC開關(guān)管采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所示電路形式的實例做了實際測試。
    這個實例的輸出電壓范圍是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。特別是恒流在電流時,頻率的變化范圍只有幾kHz,恒定電壓在80V調(diào)光時,頻率范圍是39kHz左右。


    在230Vac的輸入條件,80V、1.5A的條件下得到的效率93.1%。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表-2和圖-10所示。表-3是全電壓范圍下的滿載效率和紋波電流數(shù)據(jù)??梢钥闯黾y波電流的表現(xiàn)也很,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(xì)數(shù)據(jù)分別如圖-11和圖-12所示。100%負(fù)載下,THD可低于5%。甚至在50%負(fù)載及277Vac條件下,THD小于10%,遠(yuǎn)低于EN61000-3-2 class C要求。


    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(yōu)點之一。
    結(jié)論
    LCC拓?fù)淇梢栽谳^窄的頻率變化范圍內(nèi),實現(xiàn)極寬的輸出電壓及電流調(diào)節(jié)范圍?;谟w凌單芯片集成"PFC+半橋諧振"控制器ICL5101,可以很容易地實現(xiàn)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(shù)量。并且ICL5101提供了無次級電流采樣反饋做恒流的選項,使系統(tǒng)變得更緊湊,該IC所有工作參數(shù)均可通過簡單的外圍電阻進(jìn)行調(diào)節(jié),是實現(xiàn)可靠的配置設(shè)計的理想選擇。全面的保護(hù)功能,包括容性模式保護(hù)和可調(diào)節(jié)的外部過熱保護(hù),加強(qiáng)了故障情況檢測,提高系統(tǒng)的可靠性。

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