大功率LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)的突破性設(shè)計(jì)
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去年,“十城萬(wàn)盞”示范工程并沒(méi)有像預(yù)期的那樣帶來(lái)豐碩的成果,反而是這種大功率LED照明的缺點(diǎn)被充分地暴露出來(lái):LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性極差,發(fā)熱高,很多LED的驅(qū)動(dòng)電源被燒壞,其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路失效。“因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路效率低導(dǎo)致環(huán)境溫度高,很多器件頂不住這么高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶(hù)看過(guò)燒壞的器件,有的僅是小的三極管、二極管燒掉,整個(gè)電源就崩掉了。”德州儀器高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超解釋道,“看起來(lái)是個(gè)小問(wèn)題,但LED整個(gè)環(huán)境溫度非常高,70%的熱量是通過(guò)散熱片散的,散熱片后面是驅(qū)動(dòng)電源,溫度很高,很難控制。”所以,業(yè)界現(xiàn)在的努力目標(biāo)就是提升效率,降低漫度,提升集成度,減少元器件數(shù)量,并一盡量用可靠的元器件。“比如說(shuō)電感就是一個(gè)非??煽康臇|西,電感是千百年來(lái)大家用的東西,而不是有源器件。”他補(bǔ)充。
針對(duì)這個(gè)目標(biāo),TI于今年正式推出了新的LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)——雙極多串LLC拓樸架構(gòu),相對(duì)于傳統(tǒng)的大功率(功率是250W—300W)LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu),該架構(gòu)中省掉了昂貴的多串高壓DC/DC降壓器,改為多個(gè)變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路,直接實(shí)現(xiàn)恒流,效率大幅提升至92%,比傳統(tǒng)架構(gòu)提升4-5%,元器件數(shù)量也大幅減小,可靠性提升,EMI設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。(如圖)“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它就是將原來(lái)需要的恒壓模塊與恒流模塊合成為一個(gè)模塊,相當(dāng)于省掉一個(gè)恒壓模塊。”劉學(xué)超表示。
舊架構(gòu)的比較
上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對(duì)大功率LED照明和LED背光的、基于多個(gè)變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路,已用在LED路燈和超薄LED電視的背光上。UCC25710就是基于TI創(chuàng)新的、具有專(zhuān)利的雙級(jí)多串LLC拓樸架構(gòu)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。
(如上圖)在傳統(tǒng)的大功率LED照明架構(gòu)圖上可以看到,它有兩個(gè)Block,第一個(gè)Block叫恒壓模塊,DC/DC出來(lái)以后得到一個(gè)恒壓的輸出,第二個(gè)是恒流模塊,恒流模塊是每串LED都會(huì)需要DC/DC升壓或降壓的電路,對(duì)每一串LED進(jìn)行恒流。這是傳統(tǒng)的典型的大功率LED驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浼軜?gòu)。
這種拓?fù)浼軜?gòu)的效率分布為:臨界模式PFC的最大值在97%左右,LLC諧振半橋效率目前在業(yè)界我們認(rèn)定是比較高的,它的效率大概是96%,每一串恒流降壓它的效率在95%左右,三個(gè)相乘的總效率(典型值)應(yīng)該在88%以?xún)?nèi)。“當(dāng)然有的客戶(hù)可以做到90%,但會(huì)犧牲很多成本,比如說(shuō)二極管需要同步整流的二極管,這是用錢(qián)來(lái)提高效率。此外,在大的降壓上做一些軟塊干擾工作,來(lái)得到一個(gè)高效,這些都是一些方法。但它總體來(lái)說(shuō)效率不會(huì)太高,大概應(yīng)該在88%左右。”劉學(xué)超解釋道。
他繼續(xù)分析:傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的缺點(diǎn),首先它的成本非常高,因?yàn)樗鼛в蠵FC、LLC電路,還有多串高壓Buck(輸入電壓是54V),高壓DC/DC成本是非常高的,每一串都需要一個(gè)?,F(xiàn)在的路燈電源實(shí)際上是4—12串,也就是說(shuō)你需要4—12串的Buck電路,有非常多的器件。
第二是效率非常低,從我們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,它的效率應(yīng)該是在88%左右。第三是可靠性非常差,因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中每一串都需要一個(gè)Buck,PFC、LLC電路,整個(gè)電路由許多組件構(gòu)成,導(dǎo)致可靠變變差。
最后一個(gè),也是很重要的一個(gè),就是這種傳統(tǒng)架構(gòu)的EMI問(wèn)題也非常嚴(yán)重。因?yàn)槊恳淮瓸uck開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有進(jìn)行同步,串與串之間有相互的干擾。“我在客戶(hù)那兒看到,每一串輸出的時(shí)候加了一個(gè)共模電感,共模電感一方面增加了成本,另外在可靠性上面也會(huì)產(chǎn)生影響,所以,EMI是一個(gè)很大的問(wèn)題,原因是每一串DC/DC目前很難做到同步,因?yàn)檎麄€(gè)有4—12串的LED在上面。”劉學(xué)超說(shuō)道。
針對(duì)這種情況,TI的專(zhuān)家在2008年底提出一個(gè)拓?fù)浼軜?gòu):直接恒流,一個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)多串LLC。相對(duì)于傳統(tǒng)的架構(gòu),效率提升至93%。不過(guò),由于當(dāng)時(shí)采用了三級(jí)多串變壓器架構(gòu),還是需要三個(gè)IC:一個(gè)PFC,一個(gè)BUCK,一個(gè)PWM,成本并沒(méi)有明顯降低。
現(xiàn)在,這顆UCC25710出來(lái),改為雙級(jí)多串變壓器架構(gòu),可以把Buck降壓這一路給去掉,無(wú)需DC/DC降壓,也就是直接對(duì)每一串LED進(jìn)行控制,之后直接控制LLC諧振半橋電路,來(lái)實(shí)現(xiàn)每一串的電流諧振控制。前提只需要一個(gè)升壓的PFC。這個(gè)電路非常簡(jiǎn)單:只需要一個(gè)升壓的PFC,再加上一個(gè)多串的變壓器串聯(lián)恒流的諧振半橋,就可得到大功率的LED驅(qū)動(dòng)電流。
所以,大功率LED照明的新型雙級(jí)多串LLC架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為以下四點(diǎn):
第一是效率提升,這個(gè)新的拓?fù)浼軜?gòu)實(shí)際總體效率可以達(dá)到92%。
第二是成本很低,因?yàn)椴恍枰恳淮瓺C/DC的降壓,TI用一串變壓器可以驅(qū)動(dòng)兩串LED,兩串變壓器可以驅(qū)動(dòng)四串LED,采用的變壓器都是傳統(tǒng)的變壓器,成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用恒壓的DC/DC對(duì)每一串進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。“實(shí)際上,我們是省掉了一個(gè)恒壓模塊。”劉學(xué)超稱(chēng)。
第三,它的元器件非常少,所以它的可靠性很好,把恒壓和恒流整個(gè)集成在一個(gè)模塊上,而不是兩個(gè),使得可靠性得到提升。“此外,目前傳統(tǒng)的方案用的電容更多,因?yàn)槊看瓺C/DC都需要電容,PFC也是電容,LLC也是電容。電容損壞也是影響LED路燈可靠性的一個(gè)重要因素。這個(gè)架構(gòu)的電容數(shù)少,沒(méi)有LLC、DC/DC電容,所以可靠性提升。”
第四,EMI問(wèn)題減小,設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。電路沒(méi)有多串的DC/DC,只需要一個(gè)諧振半橋做出驅(qū)動(dòng),這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計(jì)。“我們?cè)谶@個(gè)板子上有傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn),這個(gè)板子設(shè)計(jì)好以后基本上就可以通過(guò)傳導(dǎo)的測(cè)試,我個(gè)人認(rèn)為,由于LLC電路本來(lái)的特點(diǎn)是非常好的EMI,性能非常好的一個(gè)電路,這相對(duì)于傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)來(lái)說(shuō),EMI是非常好的。”他稱(chēng)。
此外,該電路可以兼容調(diào)光,還可以配合TI的無(wú)線(xiàn)Zigbee進(jìn)行調(diào)光,因?yàn)镮C是放在側(cè)邊或模擬調(diào)光,對(duì)LED整串進(jìn)行調(diào)光,來(lái)實(shí)現(xiàn)整體PWM或模擬調(diào)光。
“這個(gè)架構(gòu)里的技術(shù)關(guān)鍵是一個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)兩串LED,兩個(gè)變壓驅(qū)動(dòng)四串LED,這樣成本下降了,可靠性也提升了。”劉學(xué)超說(shuō)道,為什么變壓器能做每串均流的控制呢?這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的,就是我們把兩個(gè)變壓器的沿邊進(jìn)行串聯(lián),如果逆時(shí)電感足夠得大,耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2,IS1…如果扎比相同的話(huà),它是一個(gè)扎比的關(guān)系,就是Ip1/Np = Is1/Ns1,這是第一個(gè)變壓器。第二個(gè)變壓器,由于它的沿邊是同一個(gè)變流,我們把沿邊做一個(gè)串聯(lián),這樣的話(huà)Ip1/Ip2,Np1=Is2/Ns,這樣我們就可以得到Is1=Is2。就是通過(guò)這樣的變壓器持平衡方式來(lái)得到很好的電流的平衡度,理論上來(lái)說(shuō)這是非常簡(jiǎn)單的理論,但我們把它用在LED的驅(qū)動(dòng)電流上。
并且,劉學(xué)超表示,這里對(duì)變壓器沒(méi)有特殊的要求,一般的變壓器電感量冗余在正負(fù)10%以?xún)?nèi),變壓器場(chǎng)站一般要求正負(fù)10%以?xún)?nèi),“只要你能夠做到正負(fù)10%以?xún)?nèi),輸出電流的冗余小于正負(fù)3%就可以了。”其實(shí),除了路燈應(yīng)用,它對(duì)于通用照明系統(tǒng)和商用照明也是適合的,只要需要多串形式的架構(gòu),這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能使用。“客戶(hù)看到我們這一創(chuàng)新型架構(gòu)后都非常高興,因?yàn)樗鼘?shí)實(shí)在在的減小了成本,并且提升了可靠性。”劉學(xué)超稱(chēng)。