【導(dǎo)讀】LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)迭代升級,以及使用者對照明光質(zhì)量的追求,是制造廠商創(chuàng)新產(chǎn)品方案的動力。英飛凌廣泛的LED照明產(chǎn)品組合,一直以來是國際國內(nèi)照明制造廠商青睞的選擇。
ICL88xx家族系列為新一代LED通用照明而設(shè)計(jì)研發(fā),創(chuàng)新的混合信號控制技術(shù),使得產(chǎn)品具有超高性價(jià)比。ICL88xx適用于反激AC-DC控制拓?fù)??;贗CL88xx設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在提供高質(zhì)量光輸出同時(shí),具有高功率因素,低諧波失真,低EMI,高效率等性能。ICL8800具有家族系列全部基本功能,ICL8810及ICL8820在ICL8800基礎(chǔ)上增加額外功能,包括支持智能照明的低待機(jī)功耗,支持更好EMI性能的頻率抖動功能。
英飛凌AC-DC LED 驅(qū)動控制芯片,分為兩大類別:數(shù)字控制器XDPL系列,針對高性能需求設(shè)計(jì);混合信號控制器ICL系列,針對更高性價(jià)比需求場合。
跟市場上其他方案相比,ICL88xx具明顯優(yōu)勢:滿足最新IEC61000-3-2諧波要求及歐盟ERP2019年后的新標(biāo)準(zhǔn)要求;動態(tài)響應(yīng)快;滿足智能照明要求的低功耗;支持應(yīng)急照明設(shè)計(jì);支持小型化高功率密度設(shè)計(jì)。
ICL88xx全系列高度集成AC-DC LED驅(qū)動ICs,支持功率可達(dá)150W,非常適合中小功率LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì),以及其他需要高PF或低待機(jī)功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。
CL88xx功能描述
ICL88xx系統(tǒng)概述
ICL88xx組成的典型LED照明系統(tǒng)框圖如圖1所示,ICL88xx控制的反激輸出恒壓給后級,圖示兩級方案不但減小了輸出紋波,提高了光輸出的質(zhì)量,而且降低了單級系統(tǒng)對設(shè)計(jì)余量的要求,大幅提高了整個系統(tǒng)的性能?;谶@種拓?fù)浼軜?gòu)可以設(shè)計(jì)從簡單入門級的LED驅(qū)動器到復(fù)雜的智能LED驅(qū)動器,靈活性和可擴(kuò)展性非常高。
圖1 ICL88xx組成典型兩級LED驅(qū)動器系統(tǒng)
ICL88xx可以實(shí)現(xiàn)副邊反饋控制或者原邊反饋控制,根據(jù)項(xiàng)目的需求可自主選擇。原邊控制的優(yōu)點(diǎn)在于不需要光耦,BOM成本相對節(jié)?。桓边吙刂票仍吙刂凭哂懈鄡?yōu)點(diǎn):變壓器設(shè)計(jì)更容易更簡單,直接測量輸出電壓,不需要泄放電路,降低了過電壓的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也節(jié)省了成本;副邊控制可以和線性恒流控制器配合使用,減少DC-DC級的壓降,提升了效率;副邊控制在極輕載比如深度調(diào)光時(shí)仍能保持輸出恒定,同時(shí)保持高效率。對于深度調(diào)光的LED驅(qū)動器設(shè)計(jì),副邊控制是最適合的。典型副邊控制ICL88xx系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 典型ICL88xx副邊恒壓系統(tǒng)
ICL88xx集成創(chuàng)新混合信號控制技術(shù),采用DSO-8封裝。家族系列一共有三款產(chǎn)品,ICL8800基本款具有優(yōu)異的PFC和THD性能,完善的功能及相關(guān)保護(hù);ICL8810在ICL8800的基礎(chǔ)上增加了間歇模式,以支持智能照明低功耗需求;ICL8820在ICL8810的基礎(chǔ)上集成了了頻率抖動功能,在直流輸入模式下有更優(yōu)異的EMI性能。全系列支持以下功能:
● 反激恒壓輸出;
● 副邊反饋控制或原邊控制;
● 全電壓輸入(90Vac to 300Vac,45Hz to 66Hz)和直流輸入;
● 可調(diào)節(jié)最大導(dǎo)通時(shí)間,低壓輸入限功率以保證安全;
● 開機(jī)軟起動;
● 間歇工作模式;
● 頻率抖動功能
此外,全系列集成過電壓,過電流,過溫度保護(hù),及輸入過壓欠壓檢測保護(hù),開環(huán)保護(hù)。
工作模式
ICL88xx電壓模式工作有利于功率因數(shù)校正,基于工作條件比如輸入電壓輸入頻率負(fù)載狀況等自動選擇最優(yōu)的工作模式。支持的工作模式有:
● 準(zhǔn)諧振模式
這種模式通過控制導(dǎo)通時(shí)間讓開關(guān)在谷底開通,最小化開關(guān)損耗,以最大化系統(tǒng)效率。
圖3 第一個谷底開關(guān)波形
● 間歇模式
這種模式提高了系統(tǒng)在輕載時(shí)的效率,擴(kuò)展了寬電壓輸入的功率范圍,滿足低待機(jī)功耗要求。
在高功率時(shí),控制器工作在準(zhǔn)諧振模式,功率降低時(shí)導(dǎo)通時(shí)間減少;功率降到一定程度時(shí),控制器增加谷底數(shù),避免頻率過高;谷底數(shù)改變時(shí),導(dǎo)通時(shí)間會同步優(yōu)化使得功率相對恒定。
為了輸出最小的功率,ICL8810和ICL8820會進(jìn)入間歇模式,間歇頻率是交流輸入頻率的四倍。
圖4 開關(guān)特性VS相對功率(ICL8810/ICL8820)
反饋環(huán)
脈沖的產(chǎn)生基于從VS引腳引出的電流。這種方法具有更好的抗噪性。在包括突發(fā)模式在內(nèi)的整個脈沖寬度范圍內(nèi),VS電流從200μA指數(shù)映射到600μA。在20μs到1μs的范圍內(nèi),映射相對良好,每50μA光電流的脈沖持續(xù)時(shí)間減少一半。
圖5 導(dǎo)通時(shí)間與vs引腳電流的映射
為確保反饋回路正常運(yùn)行,需要從VS引腳接一個12 k?接地。該引腳的最小電流(通過光耦的電流加上12 k ? 電阻的電流)導(dǎo)致最大功率傳輸,VS引腳輸出的最大電流導(dǎo)致最小功率工作點(diǎn)。為了獲得最佳的THD和PF結(jié)果,建議使用幾Hz的交叉頻率。
圖6 VS引腳電路
功率因數(shù)校正和THD校正
柵極驅(qū)動GD通過導(dǎo)通時(shí)間控制在電壓模式下驅(qū)動功率MOSFET。通過外部反饋回路抑制輸出紋波,可在交流半正弦波期間獲得準(zhǔn)恒定的導(dǎo)通時(shí)間。這已經(jīng)確保了基本的高功率因數(shù)和低THD性能。
此外,ZCD引腳用于THD校正功能,根據(jù)檢測到的IZCD電流擴(kuò)展驅(qū)動信號的脈沖寬度。這優(yōu)化了輸入電流波形,尤其是在接近交流電壓過零的區(qū)域。原理如圖7所示。
圖7 THD校正原理
設(shè)計(jì)案例
以下為設(shè)計(jì)案例的部分信息結(jié)果(基于運(yùn)放反饋)。
副邊控制案例
由于一次側(cè)功率擴(kuò)展以及二次側(cè)功能擴(kuò)展更加方便,兩級拓?fù)湓絹碓搅餍?。高光質(zhì)、深度調(diào)光,以及帶有傳感器和MCU的更復(fù)雜系統(tǒng),需要通過二次側(cè)調(diào)節(jié)(SSR)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓(CV)。閃爍和總諧波失真(THD)以及諧波的更嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)也更有利于SSR拓?fù)洹SR配置中使用的控制器適用于開/關(guān)LED驅(qū)動器,是深度調(diào)光至0.1%和調(diào)滅的最佳解決方案。
本案例是基于SSR控制的43W設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)規(guī)格如下:
● 輸入電壓:90 to 305Vac;
● 輸出電壓: 54Vdc
● 輸出電流: 0-800mA
● 最低效率 (滿載): 91%
● 最小工作頻率(滿載):52kHz
● 諧波:EN61000-3-2
● EMI:EN55015
電路板實(shí)物及PCB布局如下圖8所示。
圖8 43W SSR 電路板
輸出電壓調(diào)整率如下圖9:
圖9 電壓調(diào)整率
效率曲線如圖10:
圖10 效率曲線
空載待機(jī)功耗如圖11:
圖11 待機(jī)功耗
THD如圖12:
圖12 THD曲線
PF測量結(jié)果如圖13:
圖13 PF曲線
其他測試結(jié)果請參考相關(guān)文檔,比如諧波,EMI,Jitter, Burst mode及相關(guān)保護(hù)功能等。
原邊控制案例
如果只需要調(diào)光到5%到10%,并且可以接受更大的輸出電壓公差(3%到5%),那么就有可能采用PSR設(shè)計(jì),與SSR解決方案相比,系統(tǒng)成本更低,省去了光耦,電壓基準(zhǔn)和誤差放大器。ICL88xx系列可用于SSR系統(tǒng)以及PSR拓?fù)渲械乃泄δ堋?/p>
本案例為基于PSR控制模式設(shè)計(jì)的42W參考設(shè)計(jì)。主要規(guī)格如下:
● 輸入電壓 100-264Vrms
● 輸出電壓設(shè)定 Vout,setpoint 54V
● 輸出電流 Iout 0-750mA
● 最大效率(Pout,max)91%
● 目標(biāo)最小頻率(Pout,max) 52kHz
圖14為設(shè)計(jì)電路板。
圖14 PSR設(shè)計(jì)案例電路板
圖15是輸出電壓調(diào)整率。
圖15 輸出電壓與負(fù)載
效率曲線如圖16所示。
圖16 參考設(shè)計(jì)效率
PF和THD分別如圖17和圖18所示。
圖17 PF曲線
圖18 THD曲線
小型化設(shè)計(jì)案例
小型化,高功率密度是電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢之一。提高工作頻率有利于縮小變壓器和被動器件的體積。使用ICL88xx有兩種小型化設(shè)計(jì)的方式。
ICL88xx SSR模式結(jié)合DC-DC 降壓變換器,使用電壓差值控制,可以顯著提高系統(tǒng)效率,降低后級Buck級溫度,并降低buck電感等組件的尺寸及成本,從而減少系統(tǒng)的尺寸和成本。系統(tǒng)簡圖如圖18所示,具體信息請參閱:《ILD8150E 高效率參考設(shè)計(jì)報(bào)告》。
圖19 ICL88xx+ILD8150高效率方案示意圖
使用ICL88xx做小型化方案還可以直接用高頻工作模式,ICL88xx可以工作在250kHz以上,搭配市面上開關(guān)速度最快的CoolMOS,或者搭配氮化鎵器件,可以使整個系統(tǒng)的體積大幅度減少。
設(shè)計(jì)工具
英飛凌提供基于ICL88xx的開發(fā)設(shè)計(jì)工具,方便設(shè)計(jì)者使用。點(diǎn)擊此處即可下載圖19所示界面的開發(fā)工具。
圖20 ICL88xx設(shè)計(jì)工具
結(jié)論
本文描述了英飛凌LED AC-DC控制器ICL88xx的概況,并配以設(shè)計(jì)案例測試結(jié)果。ICL88xx非常適合LED驅(qū)動器電源系統(tǒng)的AC/DC一級,高PF,低THD,高效率,支持0.5%以下的調(diào)光,支持低待機(jī)功耗,支持小型化設(shè)計(jì)。能夠滿足絕大多數(shù)智能照明對控制芯片的要求。
參考文獻(xiàn)
Infineon_Datasheet_ICL88xx_Rev1.0
Infineon-Design_guide_Lighting_ICs_ACDC_LED_Driver_ICs_ICL88xx-ApplicationNotes-v02_00-EN
Infineon-Reference_board_REF_ICL8810_LED_42W_PSR-ApplicationNotes-v01_01-EN
Infineon-Reference_boards_REF_ICL88xx_LED_xxx-ApplicationNotes-v01_00-EN
Infineon-Engineering_report_ILD8150E_LED_Driver_high_efficiency_reference_design-ApplicationNotes-v01_00-EN
Power and Sensing Selection Guide 2022
來源:英飛凌科技
作者:李紀(jì)明 首席工程師
作者:陳杰 高級主任工程師
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