高效率-LED驱动器IC设计

1、高效率LED驱动器IC设计2009年LED通用照明驱动技术研讨会 Copyright 2009 Power Integrations#关于关于Power Integrations 用于高能效电源转换的高压集成电路业界的领先供应商 能够为消费类电子产品、计算机、通信、工业控制及照明应用提供首屈一指的电源解决方案 已为市场提供数十亿个器件 高效节能领域的先驱(EcoSmart) 拥有业界领先的产品质量与交付能力 全球技术支持网络 Copyright 2009 Power Integrations#高效率有助于实现集成设计高效率有助于实现集成设计低功耗有助于在灯泡替换中采用集成的LED驱动器灯杯里面

2、的功率略有增加，便会提高几度温度并降低可靠性 效率的提升有助于提高市场对LED灯的接受程度 所采用的高能效镇流器可以在整个LED灯生命周期内节省能源，发挥应有的价值 Copyright 2009 Power Integrations#随着发光效率的提高，功率需量应有所下降随着发光效率的提高，功率需量应有所下降挑战：挑战：设计功率低于5 W的极高效率LED驱动器LED Road Map OIDA800流明灯流明灯 Copyright 2009 Power Integrations#主要功耗因素主要功耗因素二极管二极管0.6 W开关开关0.5 W输入二极管输入二极管0.2 W变压器变压器 0.2

3、W恒流电路恒流电路 0.3 W其他其他 0.1 W提供提供5 W输出将总共产生输出将总共产生2 W损耗损耗 （传统的反激式转换器（传统的反激式转换器LED驱动器）驱动器） Copyright 2009 Power Integrations#初级侧控制可省去电流检测初级侧控制可省去电流检测 省去光耦器、次级反馈电路及所有次级侧CC/CV控制电路 LinkSwitch -II 5% CC/CV 完全省去电流检测所产生的耗散 Copyright 2009 Power Integrations#高频率高频率 = 低变压器耗散低变压器耗散 LinkSwitch-II以85 kHz工作可减少变压器中的绕组

4、层数降低导通损耗降低与漏感相关的开关损耗由于采用PI横向技术，MOSFET开关损耗的增加可以忽略不计45 kHz变压器85 kHz变压器 Copyright 2009 Power Integrations#高频率高频率 = 低输出二极管耗散低输出二极管耗散低频率工作低频率工作高频率工作高频率工作输出二极管中输出二极管中的电流的电流 与输出二极管相关的导通损耗的计算公式如下：Plosses=Vo*Iavg+rd*Irms2 如果将频率提高2倍，Irms将减小2倍 第二项与功耗相关，将减小4倍 对于肖特基二极管来说，工作频率介于45 kHz和85 kHz之间的开关损耗增加可以忽略不计 Copyri

5、ght 2009 Power Integrations# 高VOR设计允许使用低压输出二极管 使二极管中的功耗最多减少15% 高VOR可减小初级侧电流减小MOSFET中的耗散 12 V设计设计7 V设计设计PI分立分立PI分立分立最大最大Vin375375375375Vo121277Vor90509050Pivs641063863Vdrain584500584500安全系数安全系数1.251.251.251.25二极管二极管Vr10020060100二极管二极管Vf0.851.000.700.85二极管安全裕量二极管安全裕量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的设计的设计 Copyright 2009 Power Integrations#隔离式设计方案需要隔离式设计方案需要16个外围元件个外围元件 满载时效率为76% 板面积：26 mm x 16 mmDER-206 Copyright 2009 Power Integrations#适合非隔离式设计的抽头电感降压拓扑结构适合非隔离式设计的抽头电感降压拓扑结构 抽头降压拓扑结构非常适合高输入输出电压比(Vin/Vout)的非隔离式LED驱动器 Irms开关电流较小导通损耗极小 使用低压肖特基二极管比6

7、00 V超快速二极管的导通损耗更小 1/ 2*NNIILEDsIsILED Copyright 2009 Power Integrations#非隔离式设计方案需要非隔离式设计方案需要12个外围元件个外围元件 88 KHz设计可减小电感尺寸（EE10磁芯） 700 V MOSFET允许无箝位设计 效率极高(81%)22.9 mm43.2 mm350mA12 V(DER-186) Copyright 2009 Power Integrations# 用EE10电感器替换EE16变压器 无箝位设计，可节省两个电容、一个电阻和一个二极管 将输入电容从10+4.7 F减小到4.7+4.7 F 简化了E

8、MI滤波器设计只需一个470 H电感器，后者需要两个1000 H电感器和两个10 K电阻 省去了输出二极管缓冲电路 将外部分立元件数从27个减至15个 满载时的效率从76%提升至81%抽头降压式电路与反激式电路比较：抽头降压式电路与反激式电路比较：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 在下面的拓扑结构中，损耗集中在D1和U1使用低电流/高电压LED可减小D1和电感器中的损耗 此方法可使70 V LED灯串和130 mA LED实现90%的效率 Copyright 2

9、009 Power Integrations#低电流设计方案低电流设计方案 允许引入高效、简单的升压恒流 仅需16个元件 在230 V输入条件下效率90% 与T8 LED管匹配的超小型设计 Copyright 2009 Power Integrations#LLC可提高功率可提高功率75 W以上应用的效率以上应用的效率 PFC是高功率设计方案的强制性技术要求（如LED路灯）使用升压+反激式设计方案很难实现85%以上的效率使用升压+LLC电路设计，可轻易实现92%的效率 Copyright 2009 Power Integrations# 采用LLC+同步整流可将效率提高至95% 驱动器效率提高

10、10%，相当于LED灯在35Kh的使用寿命内至少节省80美元的成本LLC可提高功率可提高功率75 W以上应用的效率以上应用的效率 Copyright 2009 Power Integrations#LLC整流器整流器 LLC MOSFETPFC电感电感LLC变压器变压器输入桥输入桥PFC升压升压MOSFETPFC升升压二极压二极管管设计范例：设计范例： 使用使用HiperPLC器件的器件的150 W LED路灯路灯(DER-212) Copyright 2009 Power Integrations#PI-XLS设计软件设计软件 可加快PFC+LLC复杂电路的设计速度 实时电路模拟允许对LLC

11、采用严格的设计方法 迭代设计以优化性能节省时间和成本 电路参数计算PFC轨电压与开关频率对比关系实时图轨电压与开关频率对比关系实时图开关频率开关频率(kHz)体电压体电压(Vdc)100200300满载最小负载 Copyright 2009 Power Integrations#结论结论 高效率驱动器有助于LED的推广应用在功率低于5 W的LED灯的整个使用寿命内，可节省5美元的能源成本 低功率设计方案的初级控制可消除电流检测中产生的功耗隔离式LED驱动器仅需25个元件非隔离式LED驱动器仅需15个元件 经优化的开关频率可减少输出二极管及变压器中的功耗 10 W驱动器实现90%的效率，且具有高输出电压LED必须串联，而不是并联 LLC电路能使高功率设计方案实现92%的效率 Copyright