再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化
时间:2019-05-10 09:57来源:
摘要:再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化江万春英飞凌科技应用中心FAE主任工程师钱家法英飞凌科技应用中心FAE经理引言对于LED
再谈LCC拓扑用在中大功率LED驱动电源的设计与优化
江万春英飞凌科技应用中心FAE主任工程师
钱家法英飞凌科技应用中心 FAE经理
引言
对于LED 电源来说,直接驱动LED光源一般要求恒流输出,越来越宽的输出电压电流范围要求使得LLC拓扑越来越难满足要求,特别因低输出纹波要求而不能进入间歇模式。因为LCC拓扑可以更容易实现宽输出电压电流范围要求,近年来在LED 驱动器上得到越来越多采用,其中ICL5101/02作为集成PFC和半桥谐振控制器,同时支持LLC及LCC拓扑,由于高度集成(SO-16集成PFC+半桥),优异的THD, 低待机功耗,较好的满足了客户的要求。
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,比如英飞凌的ICB2FL01/2/3等,只不过不需要用到隔离变压器),不过使用在LED 驱动器上,还是近几年的事。相比LLC拓扑,研发工程师们对LCC拓扑还没有那么熟悉,在设计/优化LCC拓扑电源时遇到情况比较多,在此分享一些我们的经验,希望抛砖引玉,主要包括以下内容:
电路拓扑
LLC拓扑(图1):变压器初级电感与负载等效电阻的并联后,再相继串联谐振电感与谐振电容
LCC拓扑(图2):在LLC电路上,采用比较大的谐振电感值,并联一个电容在变压器初级或次级绕组上,同时谐振变压器不磨气隙,励磁电感量比较大(比如Lp>10mH),可以忽略初级电感而近似认为负载等效电阻Re并联谐振电容Cp,再相继串联谐振电感Ls和谐振电容Cs。
输出范围
同样的工作频率范围,LCC可以比LLC提供宽很多的输出电压电流范围: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的分压决定,当频率增加到一定值后,Cs的电压降接近0, 继续增加频率也无法进一步减小输出电压( );而LCC因为Cp并联在变压器初级或次级,随着工作频率的增加,Cp的等效阻抗越来越接近0,Vo_min可以接近0( )。这是为什么LCC拓扑可以实现超宽输出电压电流范围的原因。
参考下图的仿真计算(样品实例),Ls=700uH,Cs=22nF(跨接在NSA及NSB上), Cp=4.2nF, NP:NSA:NSB=33:12:12,工作频率范围是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改为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。不同的并联电容Cp取值会对最大最小输出电压及整机的效率有影响(电容越大,输出范围越宽,无功容性电流越大,器件内电阻的损耗也会越大), 采用LLC拓扑,要实现这么宽的输出电压电流范围是不能想象的,尤其在无频闪要求不能进入间歇工作模式以及需要确保足够高的转换效率前提下。
短路特性
因为LCC拓扑有很好的“恒流”特性,所以有非常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大输出电流稍大,只要VCC高于欠压保护点,可以在输出短路的时候持续稳定工作;而对于LLC拓扑,在短路或过载的时候,如果输出电压降低太多又没有触发欠压保护,就可能出现输出电流过大而烧毁的情况。
转换效率
同样都是零电压导通软开关谐振,LCC和LLC的效率理论上没有差异,具体项目因为器件的损耗,尤其是谐振电感的铜铁损优化的程度会有不同的结果。具体来说,LCC因为变压器励磁电感很大,励磁电流比LLC 要小得多;因为采用比较大的谐振电感值,大电感量有助降低半桥的最大电流,在开机及输出短路时的应力小很多,可以采用比较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通常要求比较大的谐振电感量,兼顾最大峰值电流(尤其在“输出恒功率”应用),谐振电感的尺寸会比较大,同时需要一个并联在变压器主绕组上的电容。总的来说,LCC拓扑可以大幅度拓宽输出范围,增加设计的灵活性,并且不需要进入间歇工作模式从而实现完全无频闪。
实现低待机功耗
见图5,恒流/恒压反馈电路通过光耦控制BM脚电压,随着输出电流/电压的减小,BM脚电压逐步降低,工作频率增加,当BM脚(Pin10)电压低于0.75V并超过10mS,半桥进入间歇工作模式。实际测试ICL5102在超宽输出范围应用,也实现了400mW待机功耗。
对于待机功耗和/或启动时间要求不高的应用,可以加大图5中的RBM_DA使其大于 BM即可关闭间歇工作模式以避免轻载时可能出现的闪烁.
正常工作时, U2-PIN7输出高电平,T2近似短路,最高输出电压升高(比如83V)。
待机时(比如DIM+电压小于0.1V)运放U2B拉低STB(图7), PC2 PIN3-4短路RBMDA-2(图8),进入间歇工作模式实现低待机功耗,正常工作时拉高STB, PC2 PIN3-4开路,禁止间歇模式,避免频闪。
对于待机功耗要求高的应用,需使用外加启动电路。如图9所示,接入交流后,因为耗尽型MOSFET T3 的VGS=0V, T3导通,电流从PFC+,R5,T3,R40等对VCC 电容充电,当VCC 电压达到16V 启动电压后,控制器开始工作,PFC电压持续升高,半桥开启后延迟一定的时间T4导通,T3 VGS被负电压偏置而截至,启动过程结束。
当半桥停止工作后约100毫秒(与R57,C27时间常数有关)T3重新导通给Vcc电容充电以再次启动IC;在T3导通期件,稳压二极管D23(18V)防止产生过高的Vcc电压(比如最大19V),然后通过电阻R40确保加载在IC Vcc上的电压不会超过16.5V/5mA.
雷击时上述电路可以快速释放PFC电容上的高电压:启动电路在半桥停止工作后约100毫秒重新开始工作,将PFC输出电容放电到105%以下而解除PFC过压保护,半桥重新开始工作,避免轻载打雷击时长时间熄灯的情况。实际测试在4.5kV差模雷击电压,输出26V/100mA的时候,首先触发PFC 109%过压保护,PFC开关停止工作,然后触发PFC 115%过压保护,半桥停止工作,因为启动电路的放电作用,大约0.6秒后PFC电容降到105%,过压保护解除,半桥恢复工作,负载LED再次被点亮。
采用英飞凌ICL5102实现140W的PFC + LCC拓扑超宽输出电压范围LED驱动电源。以下是具体规格。
表格1
参考样品采用LCC拓扑结构,次级采样实现恒流反馈,并能实现0-10V调光。PFC开关管采用了英飞凌的高性价比P7系列CoolMOSTMIPA60R180P7,LCC开关管采用英飞凌CoolMOSTMIPD60R600P7。
实际测试V-I曲线如图12中的红线所示,红线包围的范围就是此电源的输出范围,右上红色线段是输出功率等于140W的区间。输出电压和输出电流的范围都能达到上面表格1的极宽的范围。
ICL5102同时提供非常好的PFC转换性能,图13是不同输入电压及负载条件下的谐波失真THD:230Vac 100%负载,THD低于5%;285Vac70%负载,THD小于10%,远低于EN61000-3-2 class C要求。
另有针对高压输入应用(Vin=480ac)的版本ICL5102HV。更多关于ICL5102的资料,请访问https://www.infineon.com/ICL5102
江万春英飞凌科技应用中心FAE主任工程师
钱家法英飞凌科技应用中心 FAE经理
引言
对于LED 电源来说,直接驱动LED光源一般要求恒流输出,越来越宽的输出电压电流范围要求使得LLC拓扑越来越难满足要求,特别因低输出纹波要求而不能进入间歇模式。因为LCC拓扑可以更容易实现宽输出电压电流范围要求,近年来在LED 驱动器上得到越来越多采用,其中ICL5101/02作为集成PFC和半桥谐振控制器,同时支持LLC及LCC拓扑,由于高度集成(SO-16集成PFC+半桥),优异的THD, 低待机功耗,较好的满足了客户的要求。
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,比如英飞凌的ICB2FL01/2/3等,只不过不需要用到隔离变压器),不过使用在LED 驱动器上,还是近几年的事。相比LLC拓扑,研发工程师们对LCC拓扑还没有那么熟悉,在设计/优化LCC拓扑电源时遇到情况比较多,在此分享一些我们的经验,希望抛砖引玉,主要包括以下内容:
- LLC与LCC 的主要区别及优缺点
- 基于ICL5102使用LCC拓扑的应用经验
- 基于ICL5102参考样品测试结果
- LLC与LCC 的主要区别及优缺点
电路拓扑
LLC拓扑(图1):变压器初级电感与负载等效电阻的并联后,再相继串联谐振电感与谐振电容
LCC拓扑(图2):在LLC电路上,采用比较大的谐振电感值,并联一个电容在变压器初级或次级绕组上,同时谐振变压器不磨气隙,励磁电感量比较大(比如Lp>10mH),可以忽略初级电感而近似认为负载等效电阻Re并联谐振电容Cp,再相继串联谐振电感Ls和谐振电容Cs。
图1 LLC拓扑
|
图2 LCC拓扑
|
输出范围
同样的工作频率范围,LCC可以比LLC提供宽很多的输出电压电流范围: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的分压决定,当频率增加到一定值后,Cs的电压降接近0, 继续增加频率也无法进一步减小输出电压( );而LCC因为Cp并联在变压器初级或次级,随着工作频率的增加,Cp的等效阻抗越来越接近0,Vo_min可以接近0( )。这是为什么LCC拓扑可以实现超宽输出电压电流范围的原因。
图3 Cp=4.2nF
|
图4 Cp=8nF
|
参考下图的仿真计算(样品实例),Ls=700uH,Cs=22nF(跨接在NSA及NSB上), Cp=4.2nF, NP:NSA:NSB=33:12:12,工作频率范围是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改为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。不同的并联电容Cp取值会对最大最小输出电压及整机的效率有影响(电容越大,输出范围越宽,无功容性电流越大,器件内电阻的损耗也会越大), 采用LLC拓扑,要实现这么宽的输出电压电流范围是不能想象的,尤其在无频闪要求不能进入间歇工作模式以及需要确保足够高的转换效率前提下。
短路特性
因为LCC拓扑有很好的“恒流”特性,所以有非常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大输出电流稍大,只要VCC高于欠压保护点,可以在输出短路的时候持续稳定工作;而对于LLC拓扑,在短路或过载的时候,如果输出电压降低太多又没有触发欠压保护,就可能出现输出电流过大而烧毁的情况。
转换效率
同样都是零电压导通软开关谐振,LCC和LLC的效率理论上没有差异,具体项目因为器件的损耗,尤其是谐振电感的铜铁损优化的程度会有不同的结果。具体来说,LCC因为变压器励磁电感很大,励磁电流比LLC 要小得多;因为采用比较大的谐振电感值,大电感量有助降低半桥的最大电流,在开机及输出短路时的应力小很多,可以采用比较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通常要求比较大的谐振电感量,兼顾最大峰值电流(尤其在“输出恒功率”应用),谐振电感的尺寸会比较大,同时需要一个并联在变压器主绕组上的电容。总的来说,LCC拓扑可以大幅度拓宽输出范围,增加设计的灵活性,并且不需要进入间歇工作模式从而实现完全无频闪。
- ICL5102应用经验
实现低待机功耗
见图5,恒流/恒压反馈电路通过光耦控制BM脚电压,随着输出电流/电压的减小,BM脚电压逐步降低,工作频率增加,当BM脚(Pin10)电压低于0.75V并超过10mS,半桥进入间歇工作模式。实际测试ICL5102在超宽输出范围应用,也实现了400mW待机功耗。
- 关闭间歇工作模式
图5 RBM_DA功能
|
对于待机功耗和/或启动时间要求不高的应用,可以加大图5中的RBM_DA使其大于 BM即可关闭间歇工作模式以避免轻载时可能出现的闪烁.
图6 简化Vcc电路
|
- 简化Vcc电路
- 对于最低输出电流比较大又有待机要求的应用
- 对于智能照明(比如Dali带dim-to-off)
正常工作时, U2-PIN7输出高电平,T2近似短路,最高输出电压升高(比如83V)。
- 对于最小输出电流非常接近0的应用
待机时(比如DIM+电压小于0.1V)运放U2B拉低STB(图7), PC2 PIN3-4短路RBMDA-2(图8),进入间歇工作模式实现低待机功耗,正常工作时拉高STB, PC2 PIN3-4开路,禁止间歇模式,避免频闪。
图7待机时降低输出电压电路
|
图8 间歇模式使能电路
|
- 外加启动电路:
图9外加启动电路 |
当半桥停止工作后约100毫秒(与R57,C27时间常数有关)T3重新导通给Vcc电容充电以再次启动IC;在T3导通期件,稳压二极管D23(18V)防止产生过高的Vcc电压(比如最大19V),然后通过电阻R40确保加载在IC Vcc上的电压不会超过16.5V/5mA.
雷击时上述电路可以快速释放PFC电容上的高电压:启动电路在半桥停止工作后约100毫秒重新开始工作,将PFC输出电容放电到105%以下而解除PFC过压保护,半桥重新开始工作,避免轻载打雷击时长时间熄灯的情况。实际测试在4.5kV差模雷击电压,输出26V/100mA的时候,首先触发PFC 109%过压保护,PFC开关停止工作,然后触发PFC 115%过压保护,半桥停止工作,因为启动电路的放电作用,大约0.6秒后PFC电容降到105%,过压保护解除,半桥恢复工作,负载LED再次被点亮。
-
图10优化半桥的不平衡
- 谐振腔设计
- 最小调光能力
-
图11输入欠压保护
- ICL5102参考样品测试结果实例
规格 | 最小 | 典型 | 最大 |
输入电压(Vin) |
|
|
|
输出电压(Vout) |
|
|
|
输出电流(Iout) | 0.06A @Vo=32~80V 0.4A @Vo=12~32V |
2.8~1.75A@ 140W,Vo=50~80V 2.8A @ 12-50V |
|
输出功率(Pout) |
|
|
|
效率(Eff) | >90.5% @ 90Vac,满载140W >94.5% @230Vac,满载140W |
||
PCB 尺寸 | 168mm * 52mm * 22mm (长*宽*高) |
表格1
参考样品采用LCC拓扑结构,次级采样实现恒流反馈,并能实现0-10V调光。PFC开关管采用了英飞凌的高性价比P7系列CoolMOSTMIPA60R180P7,LCC开关管采用英飞凌CoolMOSTMIPD60R600P7。
实际测试V-I曲线如图12中的红线所示,红线包围的范围就是此电源的输出范围,右上红色线段是输出功率等于140W的区间。输出电压和输出电流的范围都能达到上面表格1的极宽的范围。
蓝色线是输入电压为230V,输出电流为最大值2.8A条件下,在板端测试得到的效率曲线,图12中绿色的四个点对应输出功率140W条件下输出电压从50V到80V的效率,整体效率达到93%以上,最高达到94.93%,这都是在实现极宽输出范围下仍然得到的性能。
ICL5102同时提供非常好的PFC转换性能,图13是不同输入电压及负载条件下的谐波失真THD:230Vac 100%负载,THD低于5%;285Vac70%负载,THD小于10%,远低于EN61000-3-2 class C要求。
- 结论
另有针对高压输入应用(Vin=480ac)的版本ICL5102HV。更多关于ICL5102的资料,请访问https://www.infineon.com/ICL5102
免责声明:本文若是转载新闻稿,转载此文目的是在于传递更多的信息,版权归原作者所有。文章所用文字、图片、视频等素材如涉及作品版权问题,请联系本网编辑予以删除。
我要投稿
近期活动
- 安森美汽车&能源基础设施白皮书下载活动时间:2024年04月01日 - 2024年10月31日[立即参与]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年09月01日 - 2023年09月30日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年08月01日 - 2023年08月31日[查看回顾]
- 【在线答题活动】PI 智能家居热门产品,带您领略科技智慧家庭时间:2023年06月15日 - 2023年07月15日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年06月01日 - 2023年06月30日[查看回顾]
分类排行榜
- 汽车电子电源行业可靠性要求,你了解多少?
- 内置可编程模拟功能的新型 Renesas Synergy™ 低功耗 S1JA 微控制器
- Vishay 推出高集成度且符合 IrDA® 标准的红外收发器模块
- ROHM 发布全新车载升降压电源芯片组
- 艾迈斯半导体推出行业超薄的接近/颜色传感器模块,助力实现无边框智能手机设计
- 艾迈斯半导体与 Qualcomm Technologies 集中工程优势开发适用于手机 3D 应用的主动式立体视觉解决方案
- 维谛技术(Vertiv)同时亮相南北两大高端峰会,精彩亮点不容错过
- 缤特力推出全新商务系列耳机 助力解决开放式办公的噪音难题
- CISSOID 和泰科天润(GPT)达成战略合作协议,携手推动碳化硅功率器件的广泛应用
- 瑞萨电子推出 R-Car E3 SoC,为汽车大显示屏仪表盘带来高端3D 图形处理性能
编辑推荐
小型化和稳定性如何兼得?ROHM 推出超小型高输出线性 LED 驱动器 IC,为插座型 LED 驱动 IC 装上一颗强有力的 “心脏”
众所周知,LED的驱动IC担负着在输入电压不稳定的情况下,为LED提供恒定的电流,并控制恒定(可调)亮度的作用。无论是室内照明,还是车载应用,都肩负着极为重要的使命。
- 关于反激电源效率的一个疑问
时间:2022-07-12 浏览量:10190
- 面对热拔插阐述的瞬间大电流怎么解决
时间:2022-07-11 浏览量:8944
- PFC电路对N线进行电压采样的目的是什么
时间:2022-07-08 浏览量:9589
- RCD中的C对反激稳定性有何影响
时间:2022-07-07 浏览量:7200
- 36W单反激 传导7~10M 热机5分钟后超标 不知道哪里出了问题
时间:2022-07-07 浏览量:5975
- PFC电感计算
时间:2022-07-06 浏览量:4186
- 多相同步BUCK
时间:2010-10-03 浏览量:37868
- 大家来讨论 系列之二:开机浪涌电流究竟多大?
时间:2016-01-12 浏览量:43163
- 目前世界超NB的65W适配器
时间:2016-09-28 浏览量:60028
- 精讲双管正激电源
时间:2016-11-25 浏览量:128123
- 利用ANSYS Maxwell深入探究软磁体之----电感变压器
时间:2016-09-20 浏览量:107561
- 【文原创】认真的写了一篇基于SG3525的推挽,附有详细..
时间:2015-08-27 浏览量:100299