大功率LED照明驱动器设计与控制

日期:2012-06-27

  作者:Peter B. Green,LED产品部经理,国际整流器公司

  街灯和工业照明之类的固态照明应用要求驱动器能够在50-250W的功率范围内提供比传统反激式拓扑更高的效率

  工业LED照明

  由于LED发射极性能的不断提高,固态照明能够为传统上利用金属卤化物或者钠灯实现的应用降低功耗和延长使用寿命。这些包括街灯以及安装在停车场、缴费区、加油站、仓库和工厂等处的高棚灯或者聚光灯。LED的性能优势让企业能够削减经营成本和强化绿色环保证书,还能帮助当局降低公共设施费用和维护开销。

  为了服务增长市场,需要适当的驱动器,以便在比典型家用改装设备或者室内照明设备更高的功率水平下实现高效率。这些功耗较低的应用一般采用基础反激式转换器拓扑,其相对来说不那么复杂,而且为50W以下的独立LED驱动器提供了最佳解决方案。然而,在街灯和高棚灯特有的50W至250W的功率范围内,反激式拓扑就比谐振转换器之类的拓扑要庞大和效率低得多。

  在较高的功率水平下,谐振转换器拓扑具有几大优势,包括电绝缘、效率高、磁性元件小和输出端无需电解电容器。这些优势让工程师能够实现高电源密度和小尺寸。

  谐振LED驱动器采用与谐振电源相同的基础设计,由一个两级系统和一个前端功率因数校正级以及谐振绝缘和降压级组成,输出端装有整流器和滤波器。这2种设计的主要差异在于控制系统:电源产生恒定的调整输出电压,而LED驱动器必须产生恒定的输出电流。

  谐振LED驱动器操作

  采用谐振拓扑的LED驱动器的基本原理图如图1所示。前端PFC级由1个升压调节器组成,它可以将全波整流AC线路电压转化成通常介于400V和500V之间的DC总线电压。在多个AC线路周期内,DC总线电压反馈环路的响应速度都很慢,这样在一个周期内MOSFET导通时间才会保持恒定。

  图1:面向大功率LED照明应用的谐振驱动器。

  随着AC线路周期接近零交叉,控制IC通常会延长导通时间。这样就能够补偿交越失真和降低总谐波失真(THD)。在连续和不连续导通模式之间的边界处,大多数控制器都会采用临界导通模式(CrM)。在相位内产生近似正弦AC输入电流的AC线路周期内,断开时间随电压变化而变化。PFC电感器应该能够在峰值电流(iPK)和最高工作温度下避免出现饱和现象。

  后端级由1个LLC谐振转换器组成,它能够将DC总线电压转化成电压较低、电流恒定的DC输出。变压器是实现隔离和电压转换的核心元件。在图1所示的原理图中,变压器整合了构成谐振电路的高一次泄漏电感和串联电容器,它还提供了DC阻断功能。备选方法是采用标准变压器设计并添加一个外部谐振电感器。

  基本LLC谐振转换器电路如图2所示。变压器二次电路由2个绕组和2个整流二极管组成。正常情况下,采用肖特基二极管来将传导损耗降至最低水平,虽然大电流设计可能会采用同步整流MOSFET。输出端的大多数纹波都是开关频率的2倍,这样陶瓷滤波电容器就能够与电感器联合使用,以确保输出端的纹波足够低。

  图2:大功率LED照明驱动器的第二级 - LLC谐振电路。

  半桥开关在50%的占空比下运行,通过改变开关频率来调整输出电压。还可以通过调整频率来调节LED驱动电流。因此,可以选择适当的频率以便为与输出端(60V低压安全极限,最大值)相连的任意数量的LED提供所需的驱动电流。半桥谐振级具有2种谐振频率。第一种由串联电感器(Lr)和谐振电容器(Cr)决定,而第二种则由Cr和变压器激磁电感(Lm)决定。在频率处于感应区时,就会发生软开关。

  电路和变压器设计

  LLC谐振电路建模比较容易,然后对其进行仿真以便分析转换器频率响应。在3种不同的工作模式的基础上,可以将特性划分为3个区域,如图3所示。

  图3:LLC谐振转换器的典型频率响应。

  谐振电路设计的主要任务是优化变压器激磁电感Lm和谐振电感Lr的比值,以便在将循环功率损耗降至最低水平的同时控制增益曲线的斜度。通常建议该比值介于3和10之间。

  Lr和Cr值可以通过运行几次仿真来决定,也可以通过最大Q值和所需谐振频率计算得来。可以计算出最大Q值,这样转换器就能够保持在ZVS内。最大Q值出现在输入电压最低和负载最大时。计算所需数值的简单方法是利用电子数据表或者Mathcad脚本。

  对于变压器设计规程,有几种方法。最复杂的挑战在于整合Lr。通常,先构建变压器,然后测量Lr,这样工程师就能够回到仿真阶段并且根据变压器的实际特性重新计算电路参数。

  谐振驱动器控制

  还需要控制IC。利用“组合”PFC和半桥驱动器IC,例如IRS2548D,有助于减少元件数量,缩小驱动器的物理尺寸。该控制器包含控制前端PFC电路所需的全部功能以及谐振半桥,其整合了用于上桥MOSFET的浮动高端栅极驱动器。可以利用传统的反馈电路和光电隔离器调整半桥频率。通过分流电阻检测输出电流,并且利用位于二次侧的运算放大器将其与参考电流相比较。误差信号驱动光电二极管,晶体管吸收来自于IRS2548D频率控制输入的电流来提高频率,进而将输出电流降至所需水平。增加电压检测电路可以在发生开路故障时防止输出电压超过设定水平。有几种专门面向这类应用的IC,其整合了带有准确参考的电压和电流反馈运算放大器与输出,以便驱动单个光电隔离器。

  采用IRS2548D控制器的完整驱动器如图4所示,说明了少量所需外部元件。选择最符合要求的PFC电感器和变压器有助于实现小尺寸解决方案。

  图4:采用谐振转换器控制IC(IRS2548D)的大功率LED驱动器。

  结论

  固态照明在节能改装灯和数字标牌之类的室内应用中被证明是极受欢迎的。功耗更低、使用寿命更长和灵活性更高是主要优势,其对于功率更高的照明应用(例如功率范围为50-250W的街灯和工业高棚灯)也极具吸引力。

  将大功率LED成功应用到这类项目中需要不同的驱动器设计方法,而这可以利用谐振转换器拓扑实现。提供的电路仿真技术和合适的控制IC简化了谐振驱动器设计,进而实现了最高能效。

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