全新一代混合信號(hào)LED照明驅(qū)動(dòng)控制器

本文作者

英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)技術(shù)支持、首席工程師 李紀(jì)明

英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)技術(shù)支持、高級(jí)主任工程師 陳杰

英飛凌AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)控制芯片，分為兩大類(lèi)別：數(shù)字控制器XDPL系列,針對(duì)高性能需求設(shè)計(jì)；混合信號(hào)控制器ICL系列，針對(duì)更高性?xún)r(jià)比需求場(chǎng)合。

跟市場(chǎng)上其他方案相比，ICL88xx具明顯優(yōu)勢(shì)：滿(mǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快；滿(mǎn)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(dòng)ICs，支持功率可達(dá)150W，非常適合中小功率LED驅(qū)動(dòng)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。

一、ICL88xx功能描述

1. 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(jí)，圖示兩級(jí)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(jí)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)余量的要求，大幅提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。基于這種拓?fù)浼軜?gòu)可以設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單入門(mén)級(jí)的LED驅(qū)動(dòng)器到復(fù)雜的智能LED驅(qū)動(dòng)器，靈活性和可擴(kuò)展性非常高。

圖1：ICL88xx組成典型兩級(jí)LED驅(qū)動(dòng)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(duì)節(jié)省；副邊控制比原邊控制具有更多優(yōu)點(diǎn)：變壓器設(shè)計(jì)更容易更簡(jiǎn)單，直接測(cè)量輸出電壓，不需要泄放電路，降低了過(guò)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(jí)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(duì)于深度調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)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(hào)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(dòng)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（90Vacto 300Vac,45Hz to 66Hz）和直流輸入；
• 寬負(fù)載范圍提供高PF， 低THD;
• 滿(mǎn)載QR準(zhǔn)諧振工作模式，輕載DCM 谷底開(kāi)關(guān)；
• 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(kāi)機(jī)軟起動(dòng)；
• 間歇工作模式；
• 頻率抖動(dòng)功能

此外，全系列集成過(guò)電壓，過(guò)電流，過(guò)溫度保護(hù)，及輸入過(guò)壓欠壓檢測(cè)保護(hù)，開(kāi)環(huán)保護(hù)。

2．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(dòng)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(guò)控制導(dǎo)通時(shí)間讓開(kāi)關(guān)在谷底開(kāi)通，最小化開(kāi)關(guān)損耗，以最大化系統(tǒng)效率。

圖3：第一個(gè)谷底開(kāi)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(mǎn)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(guò)高；谷底數(shù)改變時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間會(huì)同步優(yōu)化使得功率相對(duì)恒定。

為了輸出最小的功率，ICL8810和ICL8820會(huì)進(jìn)入間歇模式，間歇頻率是交流輸入頻率的四倍。

圖4：開(kāi)關(guān)特性VS相對(duì)功率（ICL8810/ICL8820）

3. 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(gè)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(duì)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(gè)12 k?接地。該引腳的最小電流（通過(guò)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

4．功率因數(shù)校正和THD校正

柵極驅(qū)動(dòng)GD通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間控制在電壓模式下驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。通過(guò)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(cè)到的IZCD電流擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)零的區(qū)域。原理如圖7所示。

圖7：THD校正原理

二、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(jí)拓?fù)湓絹?lái)越流行。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(guò)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)?。SSR配置中使用的控制器適用于開(kāi)/關(guān)LED驅(qū)動(dòng)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 to305Vac;
• 輸出電壓：54Vdc
• 輸出電流：0-800mA
• 最低效率 (滿(mǎn)載)：91%
• 最小工作頻率（滿(mǎn)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(cè)量結(jié)果如圖13：

圖13：PF曲線

其他測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參考相關(guān)文檔，比如諧波，EMI，Jitter, Burstmode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?

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(shì)之一。提高工作頻率有利于縮小變壓器和被動(dòng)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(jí)Buck級(jí)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(jiǎn)圖如圖19所示，具體信息請(qǐng)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(kāi)關(guān)速度最快的CoolMOS，或者搭配氮化鎵器件，可以使整個(gè)系統(tǒng)的體積大幅度減少。

三、設(shè)計(jì)工具

英飛凌提供基于ICL88xx的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具，方便設(shè)計(jì)者使用。點(diǎn)擊鏈接即可下載圖20所示界面的開(kāi)發(fā)工具。 HYPERLINK "https://www.infineon.com/cms/en/product/power/lighting-ics/ac-dc-led-driver-ic/icl8810/#!tools"

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(cè)試結(jié)果。ICL88xx非常適合LED驅(qū)動(dòng)器電源系統(tǒng)的AC/DC一級(jí)，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(mǎn)足絕大多數(shù)智能照明對(duì)控制芯片的要求。

參考文獻(xiàn)

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Power and Sensing Selection Guide 2022