采用LCC拓扑实现宽输出范围LED驱动电源
时间：2016-09-12 11:28:00
作者：江万春,钱家法
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采用16脚封装，集成PFC和半桥谐振控制器的ICL5101，并使用LCC拓扑很好的实现了以上目标，它的高集成度可减少外部元件数量，非常合适结合LCC高性能的优势。实现了极宽的输出电压电流范围（电压25%-100%， 电流0-100%），并且满载效率超过93%，同时电路简单，成本低。由于LCC的特性，它也可以实现无次级电流反馈恒流。
为了应对输出灯珠数和驱动电流的多样性，减少LED驱动电源的项目数目，需要尽可能的提高驱动电源的通用性，对输出电压电流范围就要求比较宽。
目前大功率恒流LED驱动电源的设计，比较常见的软开关拓扑是LLC，它的输出V-I特性如图-1所示。从图中可见，LLC拓扑的输出电压、电流范围下限都比较高。随着用户对调光要求的越来越高，LLC拓扑的这种输出特性的局限性也越来越明显。如果输出直接恒流，LLC拓扑在恒流时的电压不能够达到很低，即对灯珠个数的适应性有较大局限性；当需要对电压相对固定的特定灯串时进行调光的时候，调光电流在相对较窄的频率范围内不能达到比较低范围。如果需要做到深的调光深度，往往需要间歇工作以达到小的平均电流，甚至采用额外一级DC/DC电流来实现，产生额外的纹波电流或增加系统成本及降低效率。
一种更有优势的拓扑LCC被提出，在相对较窄的频率范围内，它可以将输出电压和电流的下限降低，如果图-1的箭头所示。降低后将会达到图-2所示的范围，输出电压和电流的下限几乎可以到达零，极大的提高了驱动电源的适应性。
图-3和图-5分别是LLC和LCC的拓扑图，LCC拓扑相对LLC只是将于负载并联的电感换成电容，最后是由一个电感，一个串联的电容，一个与负载并联的电容构成。
图-4和图-6分别是LLC与LCC的输出电流随频率的变化曲线，不同曲线代表不同负载电阻条件。
两图中虚线是恒流轨迹线，当负载电阻变化时，工作频率需要做相应的变化使得电流保持稳定不变，从图-4中可以看出，采用LLC拓扑实现恒流输出时，不同负载线之间的间隔较大，意味着频率变化较大。而从图-6中可以看出，采用LCC拓扑实现恒流输出时，不同负载线之间的间隔比较紧密，意味着频率变化较小。也就是说，LCC拓扑实现恒流时，频率随负载变化的范围比LLC的要小很多。
同样可以做类似分析，当固定输出电压时做调光应用，LCC同样可以比LLC实现更小的频率变化范围，而且电流调节深度更深。
另外输出短路的性能对驱动电源来说也是一个非常重要的指标，对LLC拓扑来说，负载电阻减小至短路时，由于其与Lm并联，谐振腔阻抗的感性部分将会减弱，容性将会增强而容易进入容性区，导致开关管容易出现硬开关（在最低工作频率小于谐振频率时）。而对LCC拓扑来说，负载电阻减小至短路时，由于其与Cp并联，谐振腔阻抗的容性部分将会减弱，感性将会增强，电路仍然工作在安全的感性区。LCC的最小工作频率会设计大于（甚至远大于）串联电感和串联电容的谐振频率以保证电路工作在感性区实现ZVS，输出短路的时候，频率会减小，但会被限制在最小工作频率。通过合理地设计谐振腔，短路电流可以做到稍大于额定输出电流,比如110%-120%。
从图-6可以看到，存在着某一个频率点，这个频率是谐振电感与两个电容都是串联时的谐振频率，不同负载电阻变化时，电流会汇聚在一个固定点。说明如果电路工作在这个频率时，输出电流无需电流采样作为反馈而自然实现恒流。利用这个特点，可以省略电流采样和反馈电路，使得整体电路更具有成本竞争性，甚至可以与“PFC+反激”的拓扑竞争，使其有竞争力的功率应用范围变得更广，小到30W，大到300W。
这里采用英飞凌的高集成度控制器ICL5101来实现一个120W的LCC恒流LED驱动电源。
图-7是LCC拓扑结构，采用次级电流采样做恒流反馈，并能实现0-10V调光的示意电路。PFC开关管采用了英飞凌的高性价比P6系列CoolMOSTM IPD60R190P6，LCC开关管采用英飞凌针对消费市场的低成本CE系列CoolMOSTM IPD60R650CE。两个型号均为TO-252贴片封装，无散热器，整体电路非常简洁。
图-8是省略次级电流采样反馈的示意电路，工作在固定频率，整体电路更加精简，整机成本可以与“PFC+反激”拓扑竞争。考虑到效率等因素，整体成本甚至更低。
作为说明，这里对有次级电流反馈的，采用图-7所示电路形式的实例做了实际测试。
这个实例的输出电压范围是20-80V，如果保证次级Vcc的供电，实际输出电压下限可以更低；输出电流范围是0mA-1.5A。
表-1是输出电流与频率在不同输出电压条件下的数据，图-9是根据此数据画出的曲线。整个输出电压（20-80V），输出电流（0.01-1.5A）范围内，频率的变化范围也只有80kHz左右的变化。特别是恒流在最大电流时，频率的变化范围只有几kHz,恒定电压在80V调光时，频率范围是39kHz左右。
在230Vac的输入条件，80V、1.5A的条件下得到最高的效率93.1%。详细数据如表-2和图-10所示。表-3是全电压范围下的满载效率和纹波电流数据。可以看出纹波电流的表现也很优秀，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，详细数据分别如图-11和图-12所示。100%负载下，THD可低于5%。甚至在50%负载及277Vac条件下，THD小于10%，远低于EN61000-3-2 class C 要求。
最后是短路电流，实测值是1.7A，比较接近满载电流1.5A，这也是LCC比较LLC的主要优点之一。
LCC拓扑可以在较窄的频率变化范围内,实现极宽的输出电压及电流调节范围。基于英飞凌单芯片集成“PFC+半桥谐振”控制器ICL5101，可以很容易地实现高效率、低THD和高PF值。集成的控制IC，还可以大幅度简化电路，减少元器件数量。并且ICL5101提供了无次级电流采样反馈做恒流的选项，使系统变得更紧凑，该IC所有工作参数均可通过简单的外围电阻进行调节，是实现可靠的配置设计的理想选择。全面的保护功能，包括容性模式保护和可调节的外部过热保护，加强了故障情况检测，提高系统的可靠性。
作者：
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
