全新一代混合信號LED照明驅(qū)動控制器

摘要：

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)品具有超高性價比。ICL88xx適用于反激AC-DC控制拓?fù)??；?/span>ICL88xx設(shè)計的系統(tǒng)在提供高質(zhì)量光輸出同時，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功耗，支持更好EMI性能的頻率抖動功能。

關(guān)鍵詞： LED驅(qū)動；AC-DC反激；高效率；低待機功耗；英飛凌

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；混合信號控制器ICL系列，針對更高性價比需求場合。

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；支持小型化高功率密度設(shè)計。

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，以及其他需要高PF或低待機功耗的應(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，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)計余量的要求，大幅提高了整個系統(tǒng)的性能。基于這種拓?fù)浼軜?gòu)可以設(shè)計從簡單入門級的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可以實現(xiàn)副邊反饋控制或者原邊反饋控制，根據(jù)項目的需求可自主選擇。原邊控制的優(yōu)點在于不需要光耦，BOM成本相對節(jié)省；副邊控制比原邊控制具有更多優(yōu)點：變壓器設(shè)計更容易更簡單，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，同時也節(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)光時仍能保持輸出恒定，同時保持高效率。對于深度調(diào)光的LED驅(qū)動器設(shè)計，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；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；

·        寬負(fù)載范圍提供高PF， 低THD;

·        滿載QR準(zhǔn)諧振工作模式，輕載DCM 谷底開關(guān)；

·        可調(diào)節(jié)最大導(dǎo)通時間，低壓輸入限功率以保證安全；

·        開機軟起動；

·        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，及輸入過壓欠壓檢測保護，開環(huán)保護。

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)在輕載時的效率，擴展了寬電壓輸入的功率范圍，滿足低待機功耗要求。

在高功率時，控制器工作在準(zhǔn)諧振模式，功率降低時導(dǎo)通時間減少；功率降到一定程度時，控制器增加谷底數(shù)，避免頻率過高；谷底數(shù)改變時，導(dǎo)通時間會同步優(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）

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)時間減少一半。

圖5：導(dǎo)通時間與vs引腳電流的映射

為確保反饋回路正常運行，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。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GD通過導(dǎo)通時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 

二、設(shè)計案例

以下為設(shè)計案例的部分信息結(jié)果（基于運放反饋）。

1.     副邊控制案例

由于一次側(cè)功率擴展以及二次側(cè)功能擴展更加方便，兩級拓?fù)湓絹碓搅餍小８吖赓|(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)鋵崿F(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?/span>SSR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。主要設(shè)計規(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

空載待機功耗如圖11：

圖11：待機功耗

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)保護功能等。

2.     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，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?/span>

本案例為基于PSR控制模式設(shè)計的42W參考設(shè)計。主要規(guī)格如下：

·       輸入電壓 100-264V_rms

·       輸出電壓設(shè)定 V_out,setpoint 54V

·       輸出電流 I_out 0-750mA

·       最大效率（P_out,max）91%

·       目標(biāo)最小頻率（P_out,max） 52kHz

圖14為設(shè)計電路板。

圖14：PSR設(shè)計案例電路板

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

3.     小型化設(shè)計案例

小型化，高功率密度是電源產(chǎn)品設(shè)計的趨勢之一。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19所示，具體信息請參閱：《ILD8150E 高效率參考設(shè)計報告》。

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。

三、設(shè)計工具

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

圖20：ICL88xx設(shè)計工具

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，支持低待機功耗，支持小型化設(shè)計。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)

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Infineon-Design_guide_Lighting_ICs_ACDC_LED_Driver_ICs_ICL88xx-ApplicationNotes-v02_00-EN

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Power and Sensing Selection Guide 2022