高效率-LED驅(qū)動器IC設(shè)計

1、高效率LED驅(qū)動器IC設(shè)計2009年LED通用照明驅(qū)動技術(shù)研討會 Copyright 2009 Power Integrations#關(guān)于關(guān)于Power Integrations 用于高能效電源轉(zhuǎn)換的高壓集成電路業(yè)界的領(lǐng)先供應(yīng)商 能夠?yàn)橄M(fèi)類電子產(chǎn)品、計算機(jī)、通信、工業(yè)控制及照明應(yīng)用提供首屈一指的電源解決方案 已為市場提供數(shù)十億個器件 高效節(jié)能領(lǐng)域的先驅(qū)(EcoSmart) 擁有業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品質(zhì)量與交付能力 全球技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò) Copyright 2009 Power Integrations#高效率有助于實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計高效率有助于實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計低功耗有助于在燈泡替換中采用集成的LED驅(qū)動器燈杯里面

2、的功率略有增加，便會提高幾度溫度并降低可靠性 效率的提升有助于提高市場對LED燈的接受程度 所采用的高能效鎮(zhèn)流器可以在整個LED燈生命周期內(nèi)節(jié)省能源，發(fā)揮應(yīng)有的價值 Copyright 2009 Power Integrations#隨著發(fā)光效率的提高，功率需量應(yīng)有所下降隨著發(fā)光效率的提高，功率需量應(yīng)有所下降挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)：設(shè)計功率低于5 W的極高效率LED驅(qū)動器LED Road Map OIDA800流明燈流明燈 Copyright 2009 Power Integrations#主要功耗因素主要功耗因素二極管二極管0.6 W開關(guān)開關(guān)0.5 W輸入二極管輸入二極管0.2 W變壓器變壓器 0.2

3、W恒流電路恒流電路 0.3 W其他其他 0.1 W提供提供5 W輸出將總共產(chǎn)生輸出將總共產(chǎn)生2 W損耗損耗 （傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器（傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器）驅(qū)動器） Copyright 2009 Power Integrations#初級側(cè)控制可省去電流檢測初級側(cè)控制可省去電流檢測 省去光耦器、次級反饋電路及所有次級側(cè)CC/CV控制電路 LinkSwitch -II 5% CC/CV 完全省去電流檢測所產(chǎn)生的耗散 Copyright 2009 Power Integrations#高頻率高頻率 = 低變壓器耗散低變壓器耗散 LinkSwitch-II以85 kHz工作可減少變壓器中的繞組

4、層數(shù)降低導(dǎo)通損耗降低與漏感相關(guān)的開關(guān)損耗由于采用PI橫向技術(shù)，MOSFET開關(guān)損耗的增加可以忽略不計45 kHz變壓器85 kHz變壓器 Copyright 2009 Power Integrations#高頻率高頻率 = 低輸出二極管耗散低輸出二極管耗散低頻率工作低頻率工作高頻率工作高頻率工作輸出二極管中輸出二極管中的電流的電流 與輸出二極管相關(guān)的導(dǎo)通損耗的計算公式如下：Plosses=Vo*Iavg+rd*Irms2 如果將頻率提高2倍，Irms將減小2倍 第二項(xiàng)與功耗相關(guān)，將減小4倍 對于肖特基二極管來說，工作頻率介于45 kHz和85 kHz之間的開關(guān)損耗增加可以忽略不計 Copyri

5、ght 2009 Power Integrations# 高VOR設(shè)計允許使用低壓輸出二極管 使二極管中的功耗最多減少15% 高VOR可減小初級側(cè)電流減小MOSFET中的耗散 12 V設(shè)計設(shè)計7 V設(shè)計設(shè)計PI分立分立PI分立分立最大最大Vin375375375375Vo121277Vor90509050Pivs641063863Vdrain584500584500安全系數(shù)安全系數(shù)1.251.251.251.25二極管二極管Vr10020060100二極管二極管Vf0.851.000.700.85二極管安全裕量二極管安全裕量36%94%36%37%MOSFET VD700600700600MO

6、SFET安全裕量安全裕量17%17%17%17%700 V MOSFET支持具有高支持具有高VOR的設(shè)計的設(shè)計 Copyright 2009 Power Integrations#隔離式設(shè)計方案需要隔離式設(shè)計方案需要16個外圍元件個外圍元件 滿載時效率為76% 板面積：26 mm x 16 mmDER-206 Copyright 2009 Power Integrations#適合非隔離式設(shè)計的抽頭電感降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合非隔離式設(shè)計的抽頭電感降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 抽頭降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合高輸入輸出電壓比(Vin/Vout)的非隔離式LED驅(qū)動器 Irms開關(guān)電流較小導(dǎo)通損耗極小 使用低壓肖特基二極管比6

7、00 V超快速二極管的導(dǎo)通損耗更小 1/ 2*NNIILEDsIsILED Copyright 2009 Power Integrations#非隔離式設(shè)計方案需要非隔離式設(shè)計方案需要12個外圍元件個外圍元件 88 KHz設(shè)計可減小電感尺寸（EE10磁芯） 700 V MOSFET允許無箝位設(shè)計 效率極高(81%)22.9 mm43.2 mm350mA12 V(DER-186) Copyright 2009 Power Integrations# 用EE10電感器替換EE16變壓器 無箝位設(shè)計，可節(jié)省兩個電容、一個電阻和一個二極管 將輸入電容從10+4.7 F減小到4.7+4.7 F 簡化了E

8、MI濾波器設(shè)計只需一個470 H電感器，后者需要兩個1000 H電感器和兩個10 K電阻 省去了輸出二極管緩沖電路 將外部分立元件數(shù)從27個減至15個 滿載時的效率從76%提升至81%抽頭降壓式電路與反激式電路比較：抽頭降壓式電路與反激式電路比較：350 mA 4.2 W(DER-186)(DER-185) Copyright 2009 Power Integrations#提升效率的其他方法提升效率的其他方法 在下面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，損耗集中在D1和U1使用低電流/高電壓LED可減小D1和電感器中的損耗 此方法可使70 V LED燈串和130 mA LED實(shí)現(xiàn)90%的效率 Copyright 2

9、009 Power Integrations#低電流設(shè)計方案低電流設(shè)計方案 允許引入高效、簡單的升壓恒流 僅需16個元件 在230 V輸入條件下效率90% 與T8 LED管匹配的超小型設(shè)計 Copyright 2009 Power Integrations#LLC可提高功率可提高功率75 W以上應(yīng)用的效率以上應(yīng)用的效率 PFC是高功率設(shè)計方案的強(qiáng)制性技術(shù)要求（如LED路燈）使用升壓+反激式設(shè)計方案很難實(shí)現(xiàn)85%以上的效率使用升壓+LLC電路設(shè)計，可輕易實(shí)現(xiàn)92%的效率 Copyright 2009 Power Integrations# 采用LLC+同步整流可將效率提高至95% 驅(qū)動器效率提高

10、10%，相當(dāng)于LED燈在35Kh的使用壽命內(nèi)至少節(jié)省80美元的成本LLC可提高功率可提高功率75 W以上應(yīng)用的效率以上應(yīng)用的效率 Copyright 2009 Power Integrations#LLC整流器整流器 LLC MOSFETPFC電感電感LLC變壓器變壓器輸入橋輸入橋PFC升壓升壓MOSFETPFC升升壓二極壓二極管管設(shè)計范例：設(shè)計范例： 使用使用HiperPLC器件的器件的150 W LED路燈路燈(DER-212) Copyright 2009 Power Integrations#PI-XLS設(shè)計軟件設(shè)計軟件 可加快PFC+LLC復(fù)雜電路的設(shè)計速度 實(shí)時電路模擬允許對LLC

11、采用嚴(yán)格的設(shè)計方法 迭代設(shè)計以優(yōu)化性能節(jié)省時間和成本 電路參數(shù)計算PFC軌電壓與開關(guān)頻率對比關(guān)系實(shí)時圖軌電壓與開關(guān)頻率對比關(guān)系實(shí)時圖開關(guān)頻率開關(guān)頻率(kHz)體電壓體電壓(Vdc)100200300滿載最小負(fù)載 Copyright 2009 Power Integrations#結(jié)論結(jié)論 高效率驅(qū)動器有助于LED的推廣應(yīng)用在功率低于5 W的LED燈的整個使用壽命內(nèi)，可節(jié)省5美元的能源成本 低功率設(shè)計方案的初級控制可消除電流檢測中產(chǎn)生的功耗隔離式LED驅(qū)動器僅需25個元件非隔離式LED驅(qū)動器僅需15個元件 經(jīng)優(yōu)化的開關(guān)頻率可減少輸出二極管及變壓器中的功耗 10 W驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)90%的效率，且具有高輸出電壓LED必須串聯(lián)，而不是并聯(lián) LLC電路能使