大功率LED驅(qū)動電源創(chuàng)新架構(gòu)大幅降低成本

中國政府大力推動的“十城萬盞”LED路燈示范工程最終被證明只是政策宣導(dǎo)行為，led路燈還遠(yuǎn)沒到商業(yè)化程度，因?yàn)橛貌涣艘欢螘r(shí)間，LED路燈不是亮度逐漸衰減，就是完全不亮了。究其原因，并不是大功率LED的壽命不足，而是LED驅(qū)動電源的散熱技術(shù)還不過關(guān)，因此不是LED的亮度受熱加速衰減，就是LED驅(qū)動電源由于不起眼的外圍小器件受熱燒壞而導(dǎo)致電源故障。

　　“大功率LED驅(qū)動電源效率低、工作空間受限和熱設(shè)計(jì)不夠好等原因會導(dǎo)致LED驅(qū)動電源工作環(huán)境溫度很高，很多器件頂不住這么高的溫度就被燒掉了。我也幫我們客戶看過燒壞的器件，很多只是小的三極管和二極管，但它們一燒壞整個(gè)電源就崩掉了?！盩I高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超解釋道，“這看起來是個(gè)小問題，但LED工作時(shí)產(chǎn)生的溫度非常高，70%的熱量是通過散熱片散的，散熱片后面就是驅(qū)動電源，溫度很高，很難控制?！?BR>
　　所以，業(yè)界現(xiàn)在的努力目標(biāo)是提升效率、降低溫度、提升集成度、減少元器件數(shù)量，并盡量用可靠的元器件?！氨热缯f電感就是一個(gè)非?？煽康臇|西，電感是千百年來大家用的東西，而不是有源器件。”他補(bǔ)充道。

　　針對這個(gè)目標(biāo)，TI于今年正式推出了一種具有革命性創(chuàng)新的大功率LED(>100W)驅(qū)動架構(gòu)：雙級多串LLC拓樸架構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的LLC半橋驅(qū)動架構(gòu)，該創(chuàng)新架構(gòu)省掉了多串恒流DC/DC降壓電路(從而每一串都可省掉昂貴的高壓MOSFET、電感和電解電容)，改為多個(gè)變壓器串聯(lián)的雙級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)更簡單。(如下圖)

“簡單來說，它就是將原來需要的恒壓級與恒流級合成為一級，相當(dāng)于省掉一個(gè)恒流級?！眲W(xué)超表示。

TI針對大功率LED照明的獨(dú)創(chuàng)性雙級多串LLC拓?fù)?圖片來源：TI)

新舊架構(gòu)的比較

　　上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對大功率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、具有專利的雙級多串LLC拓樸架構(gòu)而專門設(shè)計(jì)的。

　　劉學(xué)超指出：“UCC25710是業(yè)界首款直接通過PFC輸出驅(qū)動多個(gè)LED串的單芯片LLC控制器，LLC與串聯(lián)LED開關(guān)控制支持PWM調(diào)光，而且可編程調(diào)光LLC開關(guān)斜坡，可消除噪聲?！?/P>

　　他解釋道，傳統(tǒng)LLC半橋拓?fù)浼軜?gòu)的缺點(diǎn)，首先它的成本非常高，因?yàn)樗敵龆说拿恳淮瓺C-DC降壓電路都需要一個(gè)高壓MOSFET、一個(gè)電感和電解電容，這些元件的成本是非常高的?，F(xiàn)在的LED路燈驅(qū)動電源實(shí)際上有4到12串，也就是說你需要4到12串DC-DC降壓電路，這使得該架構(gòu)的成本很高。

　　其次是效率較低，它的效率一般低于88%。第三是可靠性較低，因?yàn)樗枰芏嘣骷?。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問題非常嚴(yán)重。因?yàn)槊恳淮祲弘娐返腗OSFET開關(guān)頻率很難做到同步，因此串與串之間有相互的干擾。

　　針對這種情況，TI的專家在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)動多串LLC。相對于傳統(tǒng)的架構(gòu)，效率提升至93%以上。不過，由于當(dāng)時(shí)采用了三 級多串變壓器架構(gòu)，還是需要三個(gè)IC：一個(gè)PFC，一個(gè)BUCK，一個(gè)PWM，成本并沒有明顯降低。

TI 100W新型多串半橋諧振高效LED驅(qū)動解決方案

　　現(xiàn)在，這顆UCC25710出來，改為雙級多串變壓器架構(gòu)，可以把Buck降壓這一路給去掉，無需DC/DC降壓，也就是直接對每一串LED進(jìn)行控制，之后直接控制LLC諧振半橋電路，來實(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)動電流。

所以，大功率LED照明的新型雙級多串LLC架構(gòu)的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下四點(diǎn)：第一，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，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)動兩串LED，兩串變壓器可以驅(qū)動四串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對每一串進(jìn)行驅(qū)動。

　　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)級上，而不是兩個(gè)，使得可靠性得到提升。此外，傳統(tǒng)驅(qū)動方案用的電容很多，因?yàn)槊看瓺C/DC降壓都需要電容，PFC也需要電容，LLC也需要電容。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，所以可靠性提升。

　　第四，EMI問題減小，設(shè)計(jì)更簡單。電路沒有多串的DC/DC，只需要一個(gè)諧振半橋?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動，這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計(jì)。

　　此外，該架構(gòu)支持PWM調(diào)光，還可以配合TI的無線Zigbee進(jìn)行遙控調(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)動兩串LED，兩個(gè)變壓驅(qū)動四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了?！眲W(xué)超說道，為什么變壓器能做每串均流的控制呢？這個(gè)問題實(shí)際上是非常簡單的，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)電感足夠大，耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的話，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Ip1/Ip2，Np1=Is2/Ns，這樣我們就可以得到Is1=Is2。就是通過這樣的變壓器平衡方式來得到很好的電流的平衡度，理論上來說這是非常簡單的理論，但我們把它用在LED的驅(qū)動電流上。

　　并且，劉學(xué)超表示：“該架構(gòu)對變壓器沒有特殊的要求，只要你能夠做到正負(fù)10%以內(nèi)，輸出電流的冗余小于正負(fù)3%就可以了?！倍壳笆忻嫔弦话愕淖儔浩麟姼辛咳哂喽寄茏龅秸?fù)10%以內(nèi)。

　　“除了LED路燈應(yīng)用，它對于通用照明系統(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?？蛻艨吹轿覀冞@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?！眲W(xué)超表示。