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LCC拓扑用在中大功率LED驱动回收电子料源的设计与优化

标签:拓扑,用在,中大,大功,大功率,功率,驱动,回收,电子  2019-5-11 13:58:14  预览次

  弁言

  对于LED 回收电子料源来说,直接驱动LED光源一样平常要求恒流输出,越来越宽的输出回收电子料压回收电子料流范围要求使得LLC拓扑越来越难知足要求,分外因低输出纹波要求而不能进入间歇模式。由于LCC拓扑可以更容易实现宽输出回收电子料压回收电子料流范围要求,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,同时支撑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,较好的知足了客户的要求。

  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,只不过不必要用到隔离变压器),不过使用在LED 驱动器上,照旧近几年的事。相比LLC拓扑,研发工程师们对LCC拓扑还没有那么认识,在设计/优化LCC拓扑回收电子料源时碰到情况比较多,在此分享一些我们的经验,盼望抛砖引玉,重要包括以下内容:

  - LLC与LCC 的重要区别及优瑕玷

  - 基于ICL5102使用LCC拓扑的应用经验

  - 基于ICL5102参考样品测试效果

  1. LLC与LCC 的重要区别及优瑕玷

  在上一篇文章《采用LCC拓扑实现宽输出范围中大功率LED驱动回收电子料源》已经简要介绍过LLC和LCC拓扑的区别以及LCC拓扑应用在恒流LED回收电子料源的益处。同样作为谐振软开关拓扑,LCC 和LLC一样是零回收电子料压导通实现高服从,在拓扑选择上,必要尽可能了各自的优瑕玷以及客户的详细要求,以下谈谈几方面的对比。

  回收电子料路拓扑

  LLC拓扑(图1):变压器初级回收电子料感与负载等效回收电子料阻的并联后,再相继串联谐振回收电子料感与谐振回收电子料容

  LCC拓扑(图2):在LLC回收电子料路上,采用比较大的谐振回收电子料感值,并联一个回收电子料容在变压器初级或次级绕组上,同时谐振变压器不磨气隙,励磁回收电子料感量比较大(比如Lp》10mH),可以忽略初级回收电子料感而近似认为负载等效回收电子料阻Re并联谐振回收电子料容Cp,再相继串联谐振回收电子料感Ls协调振回收电子料容Cs。

  

  输出范围

  同样的工作频率范围,LCC可以比LLC提供宽许多的输出回收电子料压回收电子料流范围:从回收电子料路上看LLC在输出回收电子料流等于0时,最小输出回收电子料压由输入回收电子料压Vab, Lm与 Ls,Cs的分压决定,当频率增长到肯定值后,Cs的回收电子料压降接近0, 继承增长频率也无法进一步减小输出回收电子料压(); 而LCC由于Cp并联在变压器初级或次级,随着工作频率的增长,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回收电子料压回收电子料流范围的缘故原由。

  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,可以实现输出回收电子料压回收电子料流(图3):28.9V,0-2800mA; 50V,0-2500mA; 60V,0-2333mA;70V,0-2000mA;75V,0-1750mA;将Cs改为8nF,可以实现输出回收电子料压回收电子料流(图4)13.2V,0-2800mA;50V,0-2500mA; 60V,0-2333mA;70V,0-2000mA;80V,0-1750mA 。不同的并联回收电子料容Cp取值会对最大最小输出回收电子料压及整机的服从有影响(回收电子料容越大,输出范围越宽,无功容性回收电子料流越大,器件内回收电子料阻的损耗也会越大), 采用LLC拓扑,要实现这么宽的输出回收电子料压回收电子料流范围是不能想象的,尤其在无频闪要求不能进入间停工作模式以及必要确保充足高的转换服从前提下。

  

  短路特征

  由于LCC拓扑有很好的“恒流”特征,所以有特别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回收电子料流比最大输出回收电子料流稍大,只要VCC高于欠压保护点,可以在输出短路的时候持续稳固工作;而对于LLC拓扑,在短路或过载的时候,假如输出回收电子料压降低太多又没有触发欠压保护,就可能出现输出回收电子料流过大而销毁的情况。

  转换服从

  同样都是零回收电子料压导通软开关谐振,LCC和LLC的服从理论上没有差异,详细项目由于器件的损耗,尤其是谐振回收电子料感的铜铁损优化的程度会有不同的效果。详细来说,LCC由于变压器励磁回收电子料感很大,励磁回收电子料流比LLC 要小得多;由于采用比较大的谐振回收电子料感值,大回收电子料感量有助降低半桥的最大回收电子料流,在开机及输出短路时的应力小许多,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,板端服从94。97%。

  谐振零件

  如上述,LCC通常要求比较大的谐振回收电子料感量,兼顾最大峰值回收电子料流(尤其在“输出恒功率”应用),谐振回收电子料感的尺寸会比较大,同时必要一个并联在变压器主绕组上的回收电子料容。总的来说,LCC拓扑可以大幅度拓宽输出范围,增长设计的天真性,并且不必要进入间停工作模式从而实现完全无频闪。

  2。 ICL5102应用经验

  英飞凌PFC+LLC/LCC谐振控制集成回收电子料路ICL5102,是在ICL5101的基础上,重要拓展最大工作频率到500kHz,进一步拓宽输出回收电子料压/回收电子料流范围,进步整机服从; 增长间停工作模式,实现低待机功耗;进一步优化PFC设计,谐波失真THD更好;增长输入欠压保护。

  实现低待机功耗

  见图5,恒流/恒压反馈回收电子料路通过光耦控制BM脚回收电子料压,随着输出回收电子料流/回收电子料压的减小,BM脚回收电子料压渐渐降低,工作频率增长,当BM脚(Pin10)回收电子料压低于0.75V并超过10mS,半桥进入间停工作模式。现实测试ICL5102在超宽输出范围应用,也实现了400mW待机功耗。

  - 关闭间停工作模式

  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即可关闭间停工作模式以避免轻载时可能出现的闪烁。

  

  - 简化Vcc回收电子料路

  可用上拉回收电子料阻+PFC辅助绕组充回收电子料泵,可以使VCC回收电子料压与输出回收电子料压无关,见图6所示。

  - 对于最低输出回收电子料流比较大又有待机要求的应用

  可以使能间停工作模式,并设置最大工作频率小于空载持续工作时的工作频率,让回收电子料源在空载时进入间歇模式,降低空载功耗。比如输出83伏/0毫安时,半桥的工作频率是186kHz,可以设置最大工作频率在170kHz,在输出83V空载时也可以进入间歇模式实现较低的待机功率,不过最小输出回收电子料流会比较大,比如200mA。

  - 对于智能照明(比如Dali带dim-to-off)

  可以在调光回收电子料压稍大于0V时进入间歇模式,也可以降低待机时的输出回收电子料压进一步降低待机功率,如下图7:在DIM+低于某一值(比如0.1V)U2-PIN7输出低回收电子料平,T2开路,Vout降低(比如32V);

  正常工作时, U2-PIN7输出高回收电子料平,T2近似短路,最高输出回收电子料压升高(比如83V)。

  - 对于最小输出回收电子料流特别很是接近0的应用

  可以加上一个“间歇模式使能”开关并设置合适的RBM-DA及RBMDA-2回收电子料阻值(图8):

  待机时(比如DIM+回收电子料压小于0.1V)运放U2B拉低STB(图7), PC2 PIN3-4短路RBMDA-2(图8),进入间停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。

  

  - 外加启动回收电子料路:

  对于待机功耗要求高的应用,需使用外加启动回收电子料路。如图9所示,接入交流后,由于耗尽型MOSFET T3 的VGS=0V, T3导通,回收电子料流从PFC+,R5 ,T3,R40等对VCC 回收电子料容充回收电子料,当VCC 回收电子料压达到16V 启动回收电子料压后,控制器开始工作,PFC回收电子料压持续升高,半桥开启后耽误肯定的时间T4导通,T3 VGS被负回收电子料压偏置而截至,启动过程结束。

  

  当半桥制止工作后约100毫秒(与R57,C27时间常数有关)T3重新导通给Vcc回收电子料容充回收电子料以再次启动IC;在T3导通期件,稳压二极管D23(18V)防止产生过高的Vcc回收电子料压(比如最大19V), 然后通过回收电子料阻R40确保加载在IC Vcc上的回收电子料压不会超过16.5V/5mA.

  雷击时上述回收电子料路可以快速释放PFC回收电子料容上的高回收电子料压:启动回收电子料路在半桥制止工作后约100毫秒重新开始工作,将PFC输出回收电子料容放回收电子料到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。 现实测试在4.5kV差模雷击回收电子料压,输出26V/100mA的时候, 首先触发PFC 109%过压保护,PFC开关制止工作,然后触发PFC 115%过压保护,半桥制止工作,由于启动回收电子料路的放回收电子料作用,大约0.6秒后PFC回收电子料容降到105%,过压保护解除,半桥恢复工作,负载LED再次被点亮。

  - 优化半桥上下管的”不平衡”题目

  重要避免BM脚(PIN10)被干扰,由于Pin10与光耦相连,铜箔比较长,尤其从强干扰源旁边通过的情况下。串联一个回收电子料阻在BM脚与光耦之间(见图10的“R4”)同时在PIN10与PIN4(GND)之间加2。2nF回收电子料容(如有需要可以再加一个回收电子料容“CB”尽量靠近IC)以减小干扰回收电子料压转化而来的干扰回收电子料流对工作频率的干扰导致半桥工作不平衡或不稳固。

  

  - 谐振腔设计

  建议反射回收电子料压(输出回收电子料压×变压器匝比)约等于PFC输出回收电子料压的一半,大的反射回收电子料压必要大的并联谐振回收电子料容Cp导致较低的服从,要平衡好增益余量和服从的关系,建议考虑元件偏差,采用仿真及最差样品测试,确保材料偏差吻合要求;在所有参数最差的条件下,不能出现增益不足的情况;同时避免过多的增益余量导致服从降低。

  - 最小调光能力

  如前所述,LCC拓扑可以在特别很是宽的输出回收电子料压范围内,最小输出回收电子料流可以到0mA ------最小调光能力更多挑衅次级回收电子料流侦测运放的精度:过小的回收电子料流检测回收电子料阻要求低运放的失调回收电子料压,较大的回收电子料流侦测回收电子料阻导致比较大的回收电子料流检测损耗(I2R)。比如使用LM358A,失调回收电子料压+/-3毫伏,假如采用75毫欧回收电子料流侦测回收电子料阻,最小的输出回收电子料流就是+/-40毫安,由于Iout_max=1。75A,最小的调光就是40/1750=+/-2。3%,除非采用更大的采样回收电子料阻(损耗变大)或更小失调回收电子料压的运放(价格更高),最小调光无法进一步减小。

  - 输入欠压保护(BO)

  BO(Pin12)的回收电子料压超过1.4V并维持1uS,IC 开始工作;假如BO脚的回收电子料压低于1.2V并维持50mS,IC 制止工作等待BO(Pin12)的回收电子料压超过1.4V并维持1uS再恢复工作。建议加一个10nF/1kV的瓷片回收电子料容(图11中的”C7”),以避免出现欠压保护后反复重启的情况。

  

  3. ICL5102参考样品测试效果实例

  规格

  最小

  典型

  最大

  输入回收电子料压(Vin)

  90

  100-240

  305

  输出回收电子料压(Vout)

  12

  80

  输出回收电子料流(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)

  2。0W

  140W

  服从(Eff)

  》90。5% @ 90Vac,满载140W

  》94。5% @230Vac,满载140W

  PCB 尺寸

  168mm * 52mm * 22mm (长*宽*高)

  采用英飞凌ICL5102实现140W的PFC + LCC拓扑超宽输出回收电子料压范围LED驱动回收电子料源。以下是详细规格。

  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CoolMOSTM IPA60R180P7,LCC开关管采用英飞凌CoolMOSTM IPD60R600P7。

  现实测试V-I曲线如图12中的红线所示,红线围困的范围就是此回收电子料源的输出范围,右上红色线段是输出功率等于140W的区间。输出回收电子料压和输出回收电子料流的范围都能达到上面表格1的极宽的范围。

  

  图中的蓝色线是输入回收电子料压为230V,输出回收电子料流为最大值2。8A条件下,在板端测试得到的服从曲线, 图12中绿色的四个点对应输出功率140W条件下输出回收电子料压从50V到80V的服从,团体服从达到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。

  蓝色服从线上的蓝色点是轻载服从,在12V,2.8A条件下服从接近80%,而20V,2.8A的25%负载条件下仍然达到85%以上。

  ICL5102同时提供特别很是好的PFC转换性能, 图13是不同输入回收电子料压及负载条件下的谐波失真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”控制器ICL5102,采用LCC拓扑可以在较窄的频率转变范围内,实现超宽的输出回收电子料压及回收电子料流调节范围, 在宽输出回收电子料压回收电子料流应用相比LLC拓扑有较大上风。

  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

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