依據各種不同規格的需求,LED驅動器經常被使用到的電路架構大致可分為三類:一、單級返馳式(Single Stage Flyback),如圖1所示;二、功因校正電路串接返馳式(PFC+Flyback),如圖2所示;三、功因校正電路串LLC諧振電路(PFC+LLC),如圖3所示。單級返馳式為較簡單且低成本的方案,但伴隨著較高的輸出漣波電流,一般用於較低功率(小於75W)範圍的應用,如果要改善輸出漣波電流,大多在輸出端再使用降壓式轉換器,如圖4所示。

當輸出功率較高時,大多會考量兩級的架構,如PFC+Flyback或PFC + LLC架構;針對寬電壓範圍調光應用,在PFC+Flyback架構中,因為功率晶體在截止時輸出電壓造成初級側功率晶體電壓的疊加,致使輸出電壓範圍受限於初級側功率晶體的耐壓,Flyback架構大多採用較高耐壓的功率晶體如900V,如果要達到更寬輸出電壓範圍的應用,使用Flyback的架構可能會面臨無合適耐壓規格的MOSFET可以做選用;相較於PFC+Flyback而言;PFC+LLC應用於LED 驅動線路時,具有更多的優勢,如較高的效率及低EMI,因而擴大了功率應用範圍,其最低應用功率從150W逐步下降到60W。

此外,LLC不需如同Flyback一般採用較高耐壓規格的初級側功率晶體,相互箝位的橋接功率晶體,其電壓規格可以採用500V或600V的MOSFET,但是為了達到寬電壓範圍調光的目的,諧振元件為達高電壓增益的設計,會造成效率的下降。

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LCC諧振式轉換器電路架構及動作原理

LCC諧振式轉換器電路如圖5所示,由諧振電感 LS、串聯諧振電容 CS、並聯諧振電容CP與變壓器所組成。

20170526_Infineon_TA31P5 圖5:LCC諧振轉換器電路架構

LCC諧振式轉換器電路具備串聯式諧振與並聯式諧振之優點。其上下橋的功率晶體Q1及Q2於導通時皆可達到零電壓切換(ZVS),降低開關損失外,當操作於輕載時具有串聯式諧振高轉換效率的優點,兼具並聯式諧振於空載時的穩壓調節能力。

20170526_Infineon_TA31P6 圖6:LCC諧振轉換器動作原理

LCC諧振式轉換器等效電路分析

圖5可以轉換成圖7及圖8的LCC諧振式轉換器等效電路,利用圖8可推導出輸入阻抗如式(1)及輸入輸出電壓增益函數如等式(2)。

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20170526_Infineon_TA31F1 其中,20170526_Infineon_TA31F1-1 20170526_Infineon_TA31F2 將等式(2)改寫成輸入電壓和輸出電壓的相關式(3) 20170526_Infineon_TA31F3 其中,20170526_Infineon_TA31F3-1 透過等式(3)可以求得LCC增益曲線如圖9、圖10及圖11所示。

20170526_Infineon_TA31P9 圖9:LCC增益曲線(CP=2CS) 20170526_Infineon_TA31P10 圖10:LCC增益曲線(CS=CP) 20170526_Infineon_TA31P11 圖11:LCC增益曲線(CP=0.5CS)

由圖9、圖10及圖11可以得知,當CP/CS的值越大,可以得到較寬範圍的電壓輸出,其頻率變化對輸出電壓的變化相對比較敏感。CP越大需要越大的LS來相對應,當LS越大需要較多的圈數而影響效率。另外,CP的容值越大,會造成CP電容上的電壓由正轉負或是由負轉正到達nVo的時間增加,導致較多的能量傳遞損失,使得效率降低,反之如果CP電容值較小,能量傳遞的損失較小,但需要搭配較小的CS才能達到較高的電壓輸出範圍,雖然是一樣的CP/CS比例,如果是較小的CP和CS電容值,輸出的電壓範圍也較小,這時候就需要同時降低LS以取得較高的輸出電壓範圍,當相同的最高頻率情形下,LS下降會限制最低輸出電壓,因此使用較小的LS又需要有較低的輸出電壓,其相對需要更高的頻率。當LS越小也會造成較大的諧振電流,對效率也會有影響。當輸出瓦特數較大時,CP和CS電容值也需要較大,才能提供相同的輸出電壓增益。綜觀以上的元件本身互相的影響,需選擇一個合適的CP/CS值及LS值來提供符合需要的輸出電壓範圍及效率考量。

LCC的最低頻率限制最大電壓增益,即是最高輸出電壓的範圍,而最高頻率限制最低輸出電流即是調光深度。在LCC的CP正負充放電的特性而使得LCC二次側電流為DCM,如果需要更高效率的考量而使用二次側的同步整流控制器,可以選用業界較多的DCM同步整流控制器。

圖12是LLC電壓增益曲線,較高的LLC的電壓增益可以透過較小的m=(Lr+Lm)/Lr來達成,但較小的m會造成較高的激磁電流而造成效率較低,較高的LLC電壓增益可以得到較寬的輸出電壓範圍。當LLC設計低於諧振頻率工作時,LLC的電壓增益曲線大約可以得到2倍輸出電壓於寬電壓的應用,且因為LLC需要設計在低於諧振頻率操作,會使得調光範圍受到限制,從諧振頻率以下到進入電容區之前的範圍,使得LLC的調光範圍大約是50%~100%,反觀LCC的電壓增益可以容易達到3倍以上,且調光範圍只受IC本身最高頻率的限制,可以達到1%~100%的調光範圍。

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依據圖14可以設定LLC寬輸出電壓的最高輸出電壓和最低輸出電壓於諧振頻率以下,在一般情形都可以在電感性區操作,但當輸出短路時這原本設定的操作頻率便會進入電容性區工作,如圖15所示。反觀LCC只需要限制最低頻率,如圖16和圖17,即可避免進入電容性區工作而造成功率晶體有燒毀的風險。另外可以發現設定最低工作頻率給LCC架構,因為電壓增益下降,在短路開機時並不會有大電流產生,如果需要較低的開機短路電流,需要把最低頻率設定較高,但會犧牲輸出電壓的範圍。相較於LLC的負載曲線是負載越重(輸出阻抗較低)其電壓增益越低,而LCC是負載越重(輸出阻抗較低)電壓增益越高;要達到一次側穩流(PSR)的應用,在固定頻率下維持一定的輸出電流,當輸出電壓較高則需對應較低的負載阻抗才能提供足夠的能量輸出來維持一定的輸出電流,而LCC的增益曲線特性可以符合此種需求,使得LCC能被用在一次側穩流(PSR)的應用上。

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以下使用ICL5101實際製作一個120W LCC LED驅動器,表一是LED驅動器的規格及設計參數。

20170526_Infineon_TA31T1 表1:LED驅動器規格與設計參數

表2是輸出電壓、輸出電流及效率測試的資料,可穩定實現20V到80V的輸出電壓,輸出電流由10mA到1500mA,其電壓有4倍的寬電壓範圍的變化,調光可以實現10mA~1500mA (0.7%~100%)的深度調光,在230Vac滿載1500mA時效率為93.05%、277Vac滿載效率為93.14%,在輸入電壓90Vac~277Vac的變化,輸出電壓可以穩定的維持在80V/1500mA。圖18、圖19及圖20是分別在滿載、半載和空載的量測波形。

20170526_Infineon_TA31T2 表2:輸出電壓、輸出電流及效率測試

20170526_Infineon_TA31P18 圖18:滿載輸出 CH1:LS VDS, CH2: LS VGS, CH3:VCP, CH4:Ir

20170526_Infineon_TA31P19 圖19:半載輸出 CH1:LS VDS, CH2: LS VGS, CH3:VCP, CH4:Ir

20170526_Infineon_TA31P20 圖20:空載輸出 CH1:LS VDS, CH2: LS VGS, CH3:VCP, CH4:Ir

結論

本文介紹的PFC+LCC的架構比單級、雙級Flyback架構,或是PFC+LLC架構更適用於寬電壓輸出範圍及深度調光的需求,LCC具有零電壓切換的特性使其可以達到高效率及高功率密度;另外限制最低工作頻率後即可以避免LCC架構短路時進入容性區工作的風險;CP/CS比例及LS的設計取決於輸出電壓的範圍和效率的要求;而最低頻率限制的設定會影響輸出最高電壓的範圍,最高頻率限制的設定決定最低輸出電流即是調光深度。