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架构变压器谐振大功率LED驱动电源创新架构大幅降低成本

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中国政府大力推动的“十城万盏”LED路灯示范工程最终被证明只是政策宣导行为,LED路灯还远没到商业化程度,因为用不了一段时间,LED路灯不是亮度逐渐衰减,就是完全不亮了。究其原因,并不是大功率LED的寿命不足,而是LED驱动电源的散热技术还不过关,因此不是LED的亮度受热加速衰减,就是LED驱动电源由于不起眼的外围小器件受热烧坏而导致电源故障。

“大功率LED驱动电源效率低、工作空间受限和热设计不够好等原因会导致LED驱动电源工作环境温度很高,很多器件顶不住这么高的温度就被烧掉了。我也帮我们客户看过烧坏的器件,很多只是小的三极管和二极管,但它们一烧坏整个电源就崩掉了。”TI高性能模拟产品业务拓展经理刘学超解释道,“这看起来是个小问题,但LED工作时产生的温度非常高,70%的热量是通过散热片散的,散热片后面就是驱动电源,温度很高,很难控制。”

所以,业界现在的努力目标是提升效率、降低温度、提升集成度、减少元器件数量,并尽量用可靠的元器件。“比如说电感就是一个非常可靠的东西,电感是千百年来大家用的东西,而不是有源器件。”他补充道。

针对这个目标,TI于今年正式推出了一种具有革命性创新的大功率LED(>100W)驱动架构:双级多串LLC拓朴架构,相对于传统的LLC半桥驱动架构,该创新架构省掉了多串恒流DC/DC降压电路(从而每一串都可省掉昂贵的高压MOSFET、电感和电解电容),改为多个变压器串联的双级LLC谐振电路,直接实现恒流,效率大幅提升至92%,比传统架构提升4-5%,元器件数量也大幅减小,可靠性提升,EMI设计更简单。(如下图)

“简单来说,它就是将原来需要的恒压级与恒流级合成为一级,相当于省掉一个恒流级。”刘学超表示。

 TI针对大功率LED照明的独创性双级多串LLC拓扑(图片来源:TI)

TI针对大功率LED照明的独创性双级多串LLC拓扑(图片来源:TI)

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新旧架构的比较

上图中UCC25710是TI刚量产的一颗针对大功率LED照明和LED背光的、基于多个变压器串联的LLC谐振电路,已用在LED路灯和超薄LED电视的背光上。UCC25710就是基于TI创新的、具有专利的双级多串LLC拓朴架构而专门设计的。

刘学超指出:“UCC25710是业界首款直接通过PFC输出驱动多个LED串的单芯片LLC控制器,LLC与串联LED开关控制支持PWM调光,而且可编程调光LLC开关斜坡,可消除噪声。”

他解释道,传统LLC半桥拓扑架构的缺点,首先它的成本非常高,因为它输出端的每一串DC-DC降压电路都需要一个高压MOSFET、一个电感和电解电容,这些元件的成本是非常高的。现在的LED路灯驱动电源实际上有4到12串,也就是说你需要4到12串DC-DC降压电路,这使得该架构的成本很高。

其次是效率较低,它的效率一般低于88%。第三是可靠性较低,因为它需要很多元器件。最后一个,也是很重要的一个,就是这种传统架构的EMI问题非常严重。因为每一串降压电路的MOSFET开关频率很难做到同步,因此串与串之间有相互的干扰。

针对这种情况,TI的专家在2008年底提出一个拓扑架构:直接恒流,一个变压器驱动多串LLC。相对于传统的架构,效率提升至93%以上。不过,由于当时采用了三级多串变压器架构,还是需要三个IC:一个PFC,一个BUCK,一个PWM,成本并没有明显降低。

TI100W新型多串半桥谐振高效LED驱动解决方案

TI100W新型多串半桥谐振高效LED驱动解决方案

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现在,这颗UCC25710出来,改为双级多串变压器架构,可以把Buck降压这一路给去掉,无需DC/DC降压,也就是直接对每一串LED进行控制,之后直接控制LLC谐振半桥电路,来实现每一串的电流谐振控制。前提只需要一个升压的PFC。这个电路非常简单:只需要一个升压的PFC,再加上一个多串的变压器串联恒流的谐振半桥,就可得到大功率的LED驱动电流。

所以,大功率LED照明的新型双级多串LLC架构的优势可以总结为以下四点:第一,效率提升,这个新的拓扑架构实际总体效率可以达到92%。第二,成本很低,因为不需要每一串DC/DC的降压,TI用一串变压器可以驱动两串LED,两串变压器可以驱动四串LED,采用的变压器都是传统的变压器,成本远远低于用恒压的DC/DC对每一串进行驱动。

第三,它的元器件非常少,所以它的可靠性很好,把恒压和恒流整个集成在一个级上,而不是两个,使得可靠性得到提升。此外,传统驱动方案用的电容很多,因为每串DC/DC降压都需要电容,PFC也需要电容,LLC也需要电容。电容损坏也是影响LED路灯可靠性的一个重要因素。这个架构的电容数少,所以可靠性提升。

第四,EMI问题减小,设计更简单。电路没有多串的DC/DC,只需要一个谐振半桥实现驱动,这样可以非常容易地得到EMI设计。

此外,该架构支持PWM调光,还可以配合TI的无线Zigbee进行遥控调光。

“这个架构里的技术关键是一个变压器驱动两串LED,两个变压驱动四串LED,这样成本下降了,可靠性也提升了。”刘学超说道,为什么变压器能做每串均流的控制呢?这个问题实际上是非常简单的,就是我们把两个变压器的沿边进行串联,如果逆时电感足够大,耦合到侧边IP1就等于IP2,IS1…如果扎比相同的话,它是一个扎比的关系,就是Ip1/Np=Is1/Ns1,这是第一个变压器。第二个变压器,由于它的沿边是同一个变流,我们把沿边做一个串联,这样的话Ip1/Ip2,Np1=Is2/Ns,这样我们就可以得到Is1=Is2。就是通过这样的变压器平衡方式来得到很好的电流的平衡度,理论上来说这是非常简单的理论,但我们把它用在LED的驱动电流上。

并且,刘学超表示:“该架构对变压器没有特殊的要求,只要你能够做到正负10%以内,输出电流的冗余小于正负3%就可以了。”而目前市面上一般的变压器电感量冗余都能做到正负10%以内。

“除了LED路灯应用,它对于通用照明系统和商用照明也是适合的,只要需要多串形式的架构,这个拓扑结构都能使用。客户看到我们这一创新型架构后都非常高兴,因为它实实在在的减小了成本,并且提升了可靠性。”刘学超表示。

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