LCC拓?fù)溆迷谥写蠊β蔐ED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　引言

　　對(duì)于LED 電源來(lái)說(shuō)，直接驅(qū)動(dòng)LED光源一般要求恒流輸出，越來(lái)越寬的輸出電壓電流范圍要求使得LLC拓?fù)湓絹?lái)越難滿(mǎn)足要求，特別因低輸出紋波要求而不能進(jìn)入間歇模式。因?yàn)長(zhǎng)CC拓?fù)淇梢愿菀讓?shí)現(xiàn)寬輸出電壓電流范圍要求，近年來(lái)在LED 驅(qū)動(dòng)器上得到越來(lái)越多采用，其中ICL5101/02作為集成PFC和半橋諧振控制器，同時(shí)支持LLC及LCC拓?fù)?，由于高度集成（SO-16集成PFC+半橋），優(yōu)異的THD， 低待機(jī)功耗，較好的滿(mǎn)足了客戶(hù)的要求。

　　LCC拓?fù)溆迷谡彰魃想m然不是全新的拓?fù)洌◤V泛用于日光燈驅(qū)動(dòng)器，比如英飛凌的ICB2FL01/2/3等，只不過(guò)不需要用到隔離變壓器），不過(guò)使用在LED 驅(qū)動(dòng)器上，還是近幾年的事。相比LLC拓?fù)?，研發(fā)工程師們對(duì)LCC拓?fù)溥€沒(méi)有那么熟悉，在設(shè)計(jì)/優(yōu)化LCC拓?fù)潆娫磿r(shí)遇到情況比較多，在此分享一些我們的經(jīng)驗(yàn)，希望拋磚引玉，主要包括以下內(nèi)容：

　　- LLC與LCC 的主要區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)

　　- 基于ICL5102使用LCC拓?fù)涞膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)

　　- 基于ICL5102參考樣品測(cè)試結(jié)果

　　1. LLC與LCC 的主要區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)

　　在上一篇文章《采用LCC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)寬輸出范圍中大功率LED驅(qū)動(dòng)電源》已經(jīng)簡(jiǎn)要介紹過(guò)LLC和LCC拓?fù)涞膮^(qū)別以及LCC拓?fù)鋺?yīng)用在恒流LED電源的好處。同樣作為諧振軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌琇CC 和LLC一樣是零電壓導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)高效率，在拓?fù)溥x擇上，需要盡可能了各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及客戶(hù)的具體要求，以下談?wù)剮追矫娴膶?duì)比。

　　電路拓?fù)?/p>

　　LLC拓?fù)洌▓D1）：變壓器初級(jí)電感與負(fù)載等效電阻的并聯(lián)后，再相繼串聯(lián)諧振電感與諧振電容

　　LCC拓?fù)洌▓D2）：在LLC電路上，采用比較大的諧振電感值，并聯(lián)一個(gè)電容在變壓器初級(jí)或次級(jí)繞組上，同時(shí)諧振變壓器不磨氣隙，勵(lì)磁電感量比較大（比如Lp》10mH），可以忽略初級(jí)電感而近似認(rèn)為負(fù)載等效電阻Re并聯(lián)諧振電容Cp，再相繼串聯(lián)諧振電感Ls和諧振電容Cs。

　　輸出范圍

　　同樣的工作頻率范圍，LCC可以比LLC提供寬很多的輸出電壓電流范圍：從電路上看LLC在輸出電流等于0時(shí)，最小輸出電壓由輸入電壓Vab， Lm與 Ls，Cs的分壓決定，當(dāng)頻率增加到一定值后，Cs的電壓降接近0， 繼續(xù)增加頻率也無(wú)法進(jìn)一步減小輸出電壓（）； 而LCC因?yàn)镃p并聯(lián)在變壓器初級(jí)或次級(jí)，隨著工作頻率的增加，Cp的等效阻抗越來(lái)越接近0，Vo_min可以接近0（）。這是為什么LCC拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)超寬輸出電壓電流范圍的原因。

　　參考下圖的仿真計(jì)算（樣品實(shí)例），Ls=700uH，Cs=22nF（跨接在NSA及NSB上）， Cp=4.2nF， NP ：NSA ：NSB=33：12：12，工作頻率范圍是60-250kHz，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流（圖3）：28.9V，0-2800mA; 50V，0-2500mA; 60V，0-2333mA;70V，0-2000mA；75V，0-1750mA；將Cs改為8nF，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流（圖4）13.2V，0-2800mA；50V，0-2500mA； 60V，0-2333mA；70V，0-2000mA；80V，0-1750mA 。不同的并聯(lián)電容Cp取值會(huì)對(duì)最大最小輸出電壓及整機(jī)的效率有影響（電容越大，輸出范圍越寬，無(wú)功容性電流越大，器件內(nèi)電阻的損耗也會(huì)越大）， 采用LLC拓?fù)?，要?shí)現(xiàn)這么寬的輸出電壓電流范圍是不能想象的，尤其在無(wú)頻閃要求不能進(jìn)入間歇工作模式以及需要確保足夠高的轉(zhuǎn)換效率前提下。

　　短路特性

　　因?yàn)長(zhǎng)CC拓?fù)溆泻芎玫摹昂懔鳌碧匦?，所以有非常好的抗輸出短路能力，合理的設(shè)計(jì)可以確保短路時(shí)的輸出電流比最大輸出電流稍大，只要VCC高于欠壓保護(hù)點(diǎn)，可以在輸出短路的時(shí)候持續(xù)穩(wěn)定工作；而對(duì)于LLC拓?fù)洌诙搪坊蜻^(guò)載的時(shí)候，如果輸出電壓降低太多又沒(méi)有觸發(fā)欠壓保護(hù)，就可能出現(xiàn)輸出電流過(guò)大而燒毀的情況。

　　轉(zhuǎn)換效率

　　同樣都是零電壓導(dǎo)通軟開(kāi)關(guān)諧振，LCC和LLC的效率理論上沒(méi)有差異，具體項(xiàng)目因?yàn)槠骷膿p耗，尤其是諧振電感的銅鐵損優(yōu)化的程度會(huì)有不同的結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，LCC因?yàn)樽儔浩鲃?lì)磁電感很大，勵(lì)磁電流比LLC 要小得多；因?yàn)椴捎帽容^大的諧振電感值，大電感量有助降低半橋的最大電流，在開(kāi)機(jī)及輸出短路時(shí)的應(yīng)力小很多，可以采用比較小的開(kāi)關(guān)管以?xún)?yōu)化成本。文末參考設(shè)計(jì)在Vin=230Vac及80V1.75A輸出時(shí)，板端效率94.97%。

　　諧振零件

　　如上述，LCC通常要求比較大的諧振電感量，兼顧最大峰值電流（尤其在“輸出恒功率”應(yīng)用），諧振電感的尺寸會(huì)比較大，同時(shí)需要一個(gè)并聯(lián)在變壓器主繞組上的電容?？偟膩?lái)說(shuō)，LCC拓?fù)淇梢源蠓韧貙捿敵龇秶?，增加設(shè)計(jì)的靈活性，并且不需要進(jìn)入間歇工作模式從而實(shí)現(xiàn)完全無(wú)頻閃。

　　2. ICL5102應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

　　英飛凌PFC+LLC/LCC諧振控制集成電路ICL5102，是在ICL5101的基礎(chǔ)上，主要拓展最大工作頻率到500kHz，進(jìn)一步拓寬輸出電壓/電流范圍，提高整機(jī)效率； 增加間歇工作模式，實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗；進(jìn)一步優(yōu)化PFC設(shè)計(jì)，諧波失真THD更好；增加輸入欠壓保護(hù)。

　　實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗

　　見(jiàn)圖5，恒流/恒壓反饋電路通過(guò)光耦控制BM腳電壓，隨著輸出電流/電壓的減小，BM腳電壓逐步降低，工作頻率增加，當(dāng)BM腳（Pin10）電壓低于0.75V并超過(guò)10mS，半橋進(jìn)入間歇工作模式。實(shí)際測(cè)試ICL5102在超寬輸出范圍應(yīng)用，也實(shí)現(xiàn)了400mW待機(jī)功耗。

　　- 關(guān)閉間歇工作模式

　　對(duì)于待機(jī)功耗和/或啟動(dòng)時(shí)間要求不高的應(yīng)用，可以加大圖5中的RBM_DA使其大于BM即可關(guān)閉間歇工作模式以避免輕載時(shí)可能出現(xiàn)的閃爍。

　　- 簡(jiǎn)化Vcc電路

　　可用上拉電阻+PFC輔助繞組充電泵，可以使VCC電壓與輸出電壓無(wú)關(guān)，見(jiàn)圖6所示。

　　- 對(duì)于最低輸出電流比較大又有待機(jī)要求的應(yīng)用

　　可以使能間歇工作模式，并設(shè)置最大工作頻率小于空載持續(xù)工作時(shí)的工作頻率，讓電源在空載時(shí)進(jìn)入間歇模式，降低空載功耗。比如輸出83伏/0毫安時(shí)，半橋的工作頻率是186kHz，可以設(shè)置最大工作頻率在170kHz，在輸出83V空載時(shí)也可以進(jìn)入間歇模式實(shí)現(xiàn)較低的待機(jī)功率，不過(guò)最小輸出電流會(huì)比較大，比如200mA。

　　- 對(duì)于智能照明（比如Dali帶dim-to-off）

　　可以在調(diào)光電壓稍大于0V時(shí)進(jìn)入間歇模式，也可以降低待機(jī)時(shí)的輸出電壓進(jìn)一步降低待機(jī)功率，如下圖7：在DIM+低于某一值（比如0.1V）U2-PIN7輸出低電平，T2開(kāi)路，Vout降低（比如32V）；

　　正常工作時(shí)， U2-PIN7輸出高電平，T2近似短路，最高輸出電壓升高（比如83V）。

　　- 對(duì)于最小輸出電流非常接近0的應(yīng)用

　　可以加上一個(gè)“間歇模式使能”開(kāi)關(guān)并設(shè)置合適的RBM-DA及RBMDA-2電阻值（圖8）：

　　待機(jī)時(shí)（比如DIM+電壓小于0.1V）運(yùn)放U2B拉低STB（圖7）， PC2 PIN3-4短路RBMDA-2（圖8），進(jìn)入間歇工作模式實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗，正常工作時(shí)拉高STB， PC2 PIN3-4開(kāi)路，禁止間歇模式，避免頻閃。

　　- 外加啟動(dòng)電路：

　　對(duì)于待機(jī)功耗要求高的應(yīng)用，需使用外加啟動(dòng)電路。如圖9所示，接入交流后，因?yàn)楹谋M型MOSFET T3 的VGS=0V， T3導(dǎo)通，電流從PFC+，R5 ，T3，R40等對(duì)VCC 電容充電，當(dāng)VCC 電壓達(dá)到16V 啟動(dòng)電壓后，控制器開(kāi)始工作，PFC電壓持續(xù)升高，半橋開(kāi)啟后延遲一定的時(shí)間T4導(dǎo)通，T3 VGS被負(fù)電壓偏置而截至，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

　　當(dāng)半橋停止工作后約100毫秒（與R57，C27時(shí)間常數(shù)有關(guān)）T3重新導(dǎo)通給Vcc電容充電以再次啟動(dòng)IC；在T3導(dǎo)通期件，穩(wěn)壓二極管D23（18V）防止產(chǎn)生過(guò)高的Vcc電壓（比如最大19V）， 然后通過(guò)電阻R40確保加載在IC Vcc上的電壓不會(huì)超過(guò)16.5V/5mA.

　　雷擊時(shí)上述電路可以快速釋放PFC電容上的高電壓：?jiǎn)?dòng)電路在半橋停止工作后約100毫秒重新開(kāi)始工作，將PFC輸出電容放電到105% 以下而解除PFC過(guò)壓保護(hù)，半橋重新開(kāi)始工作，避免輕載打雷擊時(shí)長(zhǎng)時(shí)間熄燈的情況。 實(shí)際測(cè)試在4.5kV差模雷擊電壓，輸出26V/100mA的時(shí)候， 首先觸發(fā)PFC 109%過(guò)壓保護(hù)，PFC開(kāi)關(guān)停止工作，然后觸發(fā)PFC 115%過(guò)壓保護(hù)，半橋停止工作，因?yàn)閱?dòng)電路的放電作用，大約0.6秒后PFC電容降到105%，過(guò)壓保護(hù)解除，半橋恢復(fù)工作，負(fù)載LED再次被點(diǎn)亮。

　　- 優(yōu)化半橋上下管的”不平衡”問(wèn)題

　　主要避免BM腳（PIN10）被干擾，因?yàn)镻in10與光耦相連，銅箔比較長(zhǎng)，尤其從強(qiáng)干擾源旁邊通過(guò)的情況下。串聯(lián)一個(gè)電阻在BM腳與光耦之間（見(jiàn)圖10的“R4”）同時(shí)在PIN10與PIN4（GND）之間加2.2nF電容（如有必要可以再加一個(gè)電容“CB”盡量靠近IC）以減小干擾電壓轉(zhuǎn)化而來(lái)的干擾電流對(duì)工作頻率的干擾導(dǎo)致半橋工作不平衡或不穩(wěn)定。

　　- 諧振腔設(shè)計(jì)

　　建議反射電壓（輸出電壓×變壓器匝比）約等于PFC輸出電壓的一半，大的反射電壓需要大的并聯(lián)諧振電容Cp導(dǎo)致較低的效率，要平衡好增益余量和效率的關(guān)系，建議考慮元件誤差，采用仿真及最差樣品測(cè)試，確保材料誤差符合要求；在所有參數(shù)最差的條件下，不能出現(xiàn)增益不足的情況；同時(shí)避免過(guò)多的增益余量導(dǎo)致效率降低。

　　- 最小調(diào)光能力

　　如前所述，LCC拓?fù)淇梢栽诜浅挼妮敵鲭妷悍秶鷥?nèi)，最小輸出電流可以到0mA ------最小調(diào)光能力更多挑戰(zhàn)次級(jí)電流偵測(cè)運(yùn)放的精度：過(guò)小的電流檢測(cè)電阻要求低運(yùn)放的失調(diào)電壓，較大的電流偵測(cè)電阻導(dǎo)致比較大的電流檢測(cè)損耗（I2R）。比如使用LM358A，失調(diào)電壓+/-3毫伏，如果采用75毫歐電流偵測(cè)電阻，最小的輸出電流就是+/-40毫安，因?yàn)镮out_max=1.75A，最小的調(diào)光就是40/1750=+/-2.3%，除非采用更大的采樣電阻（損耗變大）或更小失調(diào)電壓的運(yùn)放（價(jià)格更高），最小調(diào)光無(wú)法進(jìn)一步減小。

　　- 輸入欠壓保護(hù)（BO）

　　BO（Pin12）的電壓超過(guò)1.4V并維持1uS，IC 開(kāi)始工作；如果BO腳的電壓低于1.2V并維持50mS，IC 停止工作等待BO（Pin12）的電壓超過(guò)1.4V并維持1uS再恢復(fù)工作。建議加一個(gè)10nF/1kV的瓷片電容（圖11中的”C7”），以避免出現(xiàn)欠壓保護(hù)后反復(fù)重啟的情況。

　　3. ICL5102參考樣品測(cè)試結(jié)果實(shí)例

　　規(guī)格

　　最小

　　典型

　　最大

　　輸入電壓（Vin）

　　90

　　100-240

　　305

　　輸出電壓（Vout）

　　12

　　80

　　輸出電流（Iout）

　　0.06A @Vo=32~80V

　　0.4A @Vo=12~32V

　　2.8~1.75A@ 140W，Vo=50~80V

　　2.8A @ 12-50V

　　輸出功率（Pout）

　　2.0W

　　140W

　　效率（Eff）

　　》90.5% @ 90Vac，滿(mǎn)載140W

　　》94.5% @230Vac，滿(mǎn)載140W

　　PCB 尺寸

　　168mm * 52mm * 22mm （長(zhǎng)*寬*高）

　　采用英飛凌ICL5102實(shí)現(xiàn)140W的PFC + LCC拓?fù)涑瑢捿敵鲭妷悍秶鶯ED驅(qū)動(dòng)電源。以下是具體規(guī)格。

　　表格 1

　　參考樣品采用LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，次級(jí)采樣實(shí)現(xiàn)恒流反饋，并能實(shí)現(xiàn)0-10V調(diào)光。PFC開(kāi)關(guān)管采用了英飛凌的高性?xún)r(jià)比P7系列CoolMOSTM IPA60R180P7，LCC開(kāi)關(guān)管采用英飛凌CoolMOSTM IPD60R600P7。

　　實(shí)際測(cè)試V-I曲線(xiàn)如圖12中的紅線(xiàn)所示，紅線(xiàn)包圍的范圍就是此電源的輸出范圍，右上紅色線(xiàn)段是輸出功率等于140W的區(qū)間。輸出電壓和輸出電流的范圍都能達(dá)到上面表格1的極寬的范圍。

　　圖中的藍(lán)色線(xiàn)是輸入電壓為230V，輸出電流為最大值2.8A條件下，在板端測(cè)試得到的效率曲線(xiàn)， 圖12中綠色的四個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸出功率140W條件下輸出電壓從50V到80V的效率，整體效率達(dá)到93%以上，最高達(dá)到94.93%，這都是在實(shí)現(xiàn)極寬輸出范圍下仍然得到的性能。

　　藍(lán)色效率線(xiàn)上的藍(lán)色點(diǎn)是輕載效率，在12V，2.8A條件下效率接近80%，而20V，2.8A的25%負(fù)載條件下仍然達(dá)到85%以上。

　　ICL5102同時(shí)提供非常好的PFC轉(zhuǎn)換性能， 圖13是不同輸入電壓及負(fù)載條件下的諧波失真THD：230Vac 100%負(fù)載，THD低于5%; 285Vac 70%負(fù)載，THD小于10%，遠(yuǎn)低于EN61000-3-2 class C要求。

　　4. 結(jié)論

　　英飛凌集成“PFC+半橋諧振”控制器ICL5102，采用LCC拓?fù)淇梢栽谳^窄的頻率變化范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超寬的輸出電壓及電流調(diào)節(jié)范圍， 在寬輸出電壓電流應(yīng)用相比LLC拓?fù)溆休^大優(yōu)勢(shì)。

　　另有針對(duì)高壓輸入應(yīng)用（Vin=480ac）的版本ICL5102HV。更多關(guān)于ICL5102的資料，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)https://www.infineon.com/ICL5102