大功率LED驅動電源創(chuàng)新架構大幅降低成本

中國政府大力推動的“十城萬盞”LED路燈示范工程最終被證明只是政策宣導行為，led路燈還遠沒到商業(yè)化程度，因為用不了一段時間，LED路燈不是亮度逐漸衰減，就是完全不亮了。究其原因，并不是大功率LED的壽命不足，而是LED驅動電源的散熱技術還不過關，因此不是LED的亮度受熱加速衰減，就是LED驅動電源由于不起眼的外圍小器件受熱燒壞而導致電源故障。

　　“大功率LED驅動電源效率低、工作空間受限和熱設計不夠好等原因會導致LED驅動電源工作環(huán)境溫度很高，很多器件頂不住這么高的溫度就被燒掉了。我也幫我們客戶看過燒壞的器件，很多只是小的三極管和二極管，但它們一燒壞整個電源就崩掉了?！盩I高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務拓展經(jīng)理劉學超解釋道，“這看起來是個小問題，但LED工作時產(chǎn)生的溫度非常高，70%的熱量是通過散熱片散的，散熱片后面就是驅動電源，溫度很高，很難控制?！?BR>
　　所以，業(yè)界現(xiàn)在的努力目標是提升效率、降低溫度、提升集成度、減少元器件數(shù)量，并盡量用可靠的元器件?！氨热缯f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。”他補充道。

　　針對這個目標，TI于今年正式推出了一種具有革命性創(chuàng)新的大功率LED(>100W)驅動架構：雙級多串LLC拓樸架構，相對于傳統(tǒng)的LLC半橋驅動架構，該創(chuàng)新架構省掉了多串恒流DC/DC降壓電路(從而每一串都可省掉昂貴的高壓MOSFET、電感和電解電容)，改為多個變壓器串聯(lián)的雙級LLC諧振電路，直接實現(xiàn)恒流，效率大幅提升至92%，比傳統(tǒng)架構提升4-5%，元器件數(shù)量也大幅減小，可靠性提升，EMI設計更簡單。(如下圖)

“簡單來說，它就是將原來需要的恒壓級與恒流級合成為一級，相當于省掉一個恒流級?！眲W超表示。

TI針對大功率LED照明的獨創(chuàng)性雙級多串LLC拓撲(圖片來源：TI)

新舊架構的比較

　　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拓樸架構而專門設計的。

　　劉學超指出：“UCC25710是業(yè)界首款直接通過PFC輸出驅動多個LED串的單芯片LLC控制器，LLC與串聯(lián)LED開關控制支持PWM調光，而且可編程調光LLC開關斜坡，可消除噪聲?！?/P>

　　他解釋道，傳統(tǒng)LLC半橋拓撲架構的缺點，首先它的成本非常高，因為它輸出端的每一串DC-DC降壓電路都需要一個高壓MOSFET、一個電感和電解電容，這些元件的成本是非常高的?，F(xiàn)在的LED路燈驅動電源實際上有4到12串，也就是說你需要4到12串DC-DC降壓電路，這使得該架構的成本很高。

　　其次是效率較低，它的效率一般低于88%。第三是可靠性較低，因為它需要很多元器件。最后一個，也是很重要的一個，就是這種傳統(tǒng)架構的EMI問題非常嚴重。因為每一串降壓電路的MOSFET開關頻率很難做到同步，因此串與串之間有相互的干擾。

　　針對這種情況，TI的專家在2008年底提出一個拓撲架構：直接恒流，一個變壓器驅動多串LLC。相對于傳統(tǒng)的架構，效率提升至93%以上。不過，由于當時采用了三 級多串變壓器架構，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。

TI 100W新型多串半橋諧振高效LED驅動解決方案

　　現(xiàn)在，這顆UCC25710出來，改為雙級多串變壓器架構，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驅動電流。

所以，大功率LED照明的新型雙級多串LLC架構的優(yōu)勢可以總結為以下四點：第一，效率提升，這個新的拓撲架構實際總體效率可以達到92%。第二，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動兩串LED，兩串變壓器可以驅動四串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對每一串進行驅動。

　　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級上，而不是兩個，使得可靠性得到提升。此外，傳統(tǒng)驅動方案用的電容很多，因為每串DC/DC降壓都需要電容，PFC也需要電容，LLC也需要電容。電容損壞也是影響LED路燈可靠性的一個重要因素。這個架構的電容數(shù)少，所以可靠性提升。

　　第四，EMI問題減小，設計更簡單。電路沒有多串的DC/DC，只需要一個諧振半橋實現(xiàn)驅動，這樣可以非常容易地得到EMI設計。

　　此外，該架構支持PWM調光，還可以配合TI的無線Zigbee進行遙控調光。

　　“這個架構里的技術關鍵是一個變壓器驅動兩串LED，兩個變壓驅動四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了。”劉學超說道，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)，如果逆時電感足夠大，耦合到側邊IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的話，它是一個扎比的關系，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的驅動電流上。

　　并且，劉學超表示：“該架構對變壓器沒有特殊的要求，只要你能夠做到正負10%以內，輸出電流的冗余小于正負3%就可以了?！倍壳笆忻嫔弦话愕淖儔浩麟姼辛咳哂喽寄茏龅秸?0%以內。

　　“除了LED路燈應用，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，這個拓撲結構都能使用。客戶看到我們這一創(chuàng)新型架構后都非常高興，因為它實實在在的減小了成本，并且提升了可靠性?！眲W超表示。