去年,“十城萬盞”示范工程并沒有像預(yù)期的那樣帶來豐碩的成果,反而是這種大功率LED照明的缺點被充分地暴露出來:LED驅(qū)動電源可靠性極差,發(fā)熱高,很多LED的驅(qū)動電源被燒壞,其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個驅(qū)動電路失效。“因為LED驅(qū)動電路效率低導(dǎo)致環(huán)境溫度高,很多器件頂不住這么高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶看過燒壞的器件,有的僅是小的三極管、二極管燒掉,整個電源就崩掉了。”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,“看起來是個小問題,但LED整個環(huán)境溫度非常高,70%的熱量是通過散熱片散的,散熱片后面是驅(qū)動電源,溫度很高,很難控制。”所以,業(yè)界現(xiàn)在的努力目標就是提升效率,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。“比如說電感就是一個非??煽康臇|西,電感是千百年來大家用的東西,而不是有源器件。”他補充。
針對這個目標,TI于今年正式推出了新的LED驅(qū)動架構(gòu)——雙極多串LLC拓樸架構(gòu),相對于傳統(tǒng)的大功率(功率是250W—300W)LED驅(qū)動架構(gòu),該架構(gòu)中省掉了昂貴的多串高壓DC/DC降壓器,改為多個變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路,直接實現(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)計更簡單。(如圖)“簡單來說,它就是將原來需要的恒壓模塊與恒流模塊合成為一個模塊,相當于省掉一個恒壓模塊。”劉學(xué)超表示。
去年,“十城萬盞”示范工程并沒有像預(yù)期的那樣帶來豐碩的成果,反而是這種大功率LED照明的缺點被充分地暴露出來:LED驅(qū)動電源可靠性極差,發(fā)熱高,很多LED的驅(qū)動電源被燒壞,其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個驅(qū)動電路失效。“因為LED驅(qū)動電路效率低導(dǎo)致環(huán)境溫度高,很多器件頂不住這么高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶看過燒壞的器件,有的僅是小的三極管、二極管燒掉,整個電源就崩掉了。”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,“看起來是個小問題,但LED整個環(huán)境溫度非常高,70%的熱量是通過散熱片散的,散熱片后面是驅(qū)動電源,溫度很高,很難控制。”所以,業(yè)界現(xiàn)在的努力目標就是提升效率,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。“比如說電感就是一個非??煽康臇|西,電感是千百年來大家用的東西,而不是有源器件。”他補充。
針對這個目標,TI于今年正式推出了新的LED驅(qū)動架構(gòu)——雙極多串LLC拓樸架構(gòu),相對于傳統(tǒng)的大功率(功率是250W—300W)LED驅(qū)動架構(gòu),該架構(gòu)中省掉了昂貴的多串高壓DC/DC降壓器,改為多個變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路,直接實現(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)計更簡單。(如圖)“簡單來說,它就是將原來需要的恒壓模塊與恒流模塊合成為一個模塊,相當于省掉一個恒壓模塊。”劉學(xué)超表示。
舊架構(gòu)的比較
上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對大功率LED照明和LED背光的、基于多個變壓器串聯(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Block,第一個Block叫恒壓模塊,DC/DC出來以后得到一個恒壓的輸出,第二個是恒流模塊,恒流模塊是每串LED都會需要DC/DC升壓或降壓的電路,對每一串LED進行恒流。這是傳統(tǒng)的典型的大功率LED驅(qū)動的拓撲架構(gòu)。
這種拓撲架構(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,三個相乘的總效率(典型值)應(yīng)該在88%以內(nèi)。“當然有的客戶可以做到90%,但會犧牲很多成本,比如說二極管需要同步整流的二極管,這是用錢來提高效率。此外,在大的降壓上做一些軟塊干擾工作,來得到一個高效,這些都是一些方法。但它總體來說效率不會太高,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)拓撲架構(gòu)的缺點,首先它的成本非常高,因為它帶有PFC、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?,F(xiàn)在的路燈電源實際上是4—12串,也就是說你需要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)驗來看,它的效率應(yīng)該是在88%左右。第三是可靠性非常差,因為實際應(yīng)用中每一串都需要一個Buck,PFC、LLC電路,整個電路由許多組件構(gòu)成,導(dǎo)致可靠變變差。
最后一個,也是很重要的一個,就是這種傳統(tǒng)架構(gòu)的EMI問題也非常嚴重。因為每一串Buck開關(guān)頻率沒有進行同步,串與串之間有相互的干擾。“我在客戶那兒看到,每一串輸出的時候加了一個共模電感,共模電感一方面增加了成本,另外在可靠性上面也會產(chǎn)生影響,所以,EMI是一個很大的問題,原因是每一串DC/DC目前很難做到同步,因為整個有4—12串的LED在上面。”劉學(xué)超說道。
針對這種情況,TI的專家在2008年底提出一個拓撲架構(gòu):直接恒流,一個變壓器驅(qū)動多串LLC。相對于傳統(tǒng)的架構(gòu),效率提升至93%。不過,由于當時采用了三級多串變壓器架構(gòu),還是需要三個IC:一個PFC,一個BUCK,一個PWM,成本并沒有明顯降低。
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進行控制,之后直接控制LLC諧振半橋電路,來實現(xiàn)每一串的電流諧振控制。前提只需要一個升壓的PFC。這個電路非常簡單:只需要一個升壓的PFC,再加上一個多串的變壓器串聯(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:
第一是效率提升,這個新的拓撲架構(gòu)實際總體效率可以達到92%。
第二是成本很低,因為不需要每一串DC/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,成本遠遠低于用恒壓的DC/DC對每一串進行驅(qū)動。“實際上,我們是省掉了一個恒壓模塊。”劉學(xué)超稱。
第三,它的元器件非常少,所以它的可靠性很好,把恒壓和恒流整個集成在一個模塊上,而不是兩個,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,因為每串DC/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路燈可靠性的一個重要因素。這個架構(gòu)的電容數(shù)少,沒有LLC、DC/DC電容,所以可靠性提升。”
第四,EMI問題減小,設(shè)計更簡單。電路沒有多串的DC/DC,只需要一個諧振半橋做出驅(qū)動,這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計。“我們在這個板子上有傳導(dǎo)的實驗,這個板子設(shè)計好以后基本上就可以通過傳導(dǎo)的測試,我個人認為,由于LLC電路本來的特點是非常好的EMI,性能非常好的一個電路,這相對于傳統(tǒng)拓撲架構(gòu)來說,EMI是非常好的。”他稱。
此外,該電路可以兼容調(diào)光,還可以配合TI的無線Zigbee進行調(diào)光,因為IC是放在側(cè)邊或模擬調(diào)光,對LED整串進行調(diào)光,來實現(xiàn)整體PWM或模擬調(diào)光。
“這個架構(gòu)里的技術(shù)關(guān)鍵是一個變壓器驅(qū)動兩串LED,兩個變壓驅(qū)動四串LED,這樣成本下降了,可靠性也提升了。”劉學(xué)超說道,為什么變壓器能做每串均流的控制呢?這個問題實際上是非常簡單的,就是我們把兩個變壓器的沿邊進行串聯(lián),如果逆時電感足夠得大,耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2,IS1…如果扎比相同的話,它是一個扎比的關(guān)系,就是Ip1/Np = Is1/Ns1,這是第一個變壓器。第二個變壓器,由于它的沿邊是同一個變流,我們把沿邊做一個串聯(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持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,這里對變壓器沒有特殊的要求,一般的變壓器電感量冗余在正負10%以內(nèi),變壓器場站一般要求正負10%以內(nèi),“只要你能夠做到正負10%以內(nèi),輸出電流的冗余小于正負3%就可以了。”其實,除了路燈應(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),這個拓撲結(jié)構(gòu)都能使用。“客戶看到我們這一創(chuàng)新型架構(gòu)后都非常高興,因為它實實在在的減小了成本,并且提升了可靠性。”劉學(xué)超稱。