去年，“十城萬(wàn)盞”示范工程并沒(méi)有像預(yù)期的那樣帶來(lái)豐碩的成果，反而是這種大功率LED照明的缺點(diǎn)被充分地暴露出來(lái)：LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性極差，發(fā)熱高，很多LED的驅(qū)動(dòng)電源被燒壞，其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路失效?，F(xiàn)在，TI提出一種創(chuàng)新的架構(gòu)可以大大改善這種狀況。
去年，“十城萬(wàn)盞”示范工程并沒(méi)有像預(yù)期的那樣帶來(lái)豐碩的成果，反而是這種大功率LED照明的缺點(diǎn)被充分地暴露出來(lái)：LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性極差，發(fā)熱高，很多LED的驅(qū)動(dòng)電源被燒壞，其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路失效。“因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路效率低導(dǎo)致環(huán)境溫度高，很多器件頂不住這么高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶看過(guò)燒壞的器件，有的僅是小的三極管、二極管燒掉，整個(gè)電源就崩掉了。”德州儀器高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超對(duì)《電子工程專(zhuān)輯》孫昌旭解釋道，“看起來(lái)是個(gè)小問(wèn)題，但LED整個(gè)環(huán)境溫度非常高，70%的熱量是通過(guò)散熱片散的，散熱片后面是驅(qū)動(dòng)電源，溫度很高，很難控制。”所以，業(yè)界現(xiàn)在的努力目標(biāo)就是提升效率，降低漫度，提升集成度，減少元器件數(shù)量，并一盡量用可靠的元器件。“比如說(shuō)電感就是一個(gè)非?？煽康臇|西，電感是千百年來(lái)大家用的東西，而不是有源器件。”他補(bǔ)充。
針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，TI于今年正式推出了一種具有革命性創(chuàng)新的LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)——雙極多串LLC拓樸架構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的大功率（功率是250W—300W）LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，該架構(gòu)中省掉了昂貴的多串高壓DC/DC降壓器，改為多個(gè)變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路，直接實(shí)現(xiàn)恒流，效率大幅提升至92%，比傳統(tǒng)架構(gòu)提升4-5%，元器件數(shù)量也大幅減小，可靠性提升，EMI設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。（如圖）“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就是將原來(lái)需要的恒壓模塊與恒流模塊合成為一個(gè)模塊，相當(dāng)于省掉一個(gè)恒壓模塊。”劉學(xué)超表示。
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新舊架構(gòu)的比較
上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對(duì)大功率LED照明和LED背光的、基于多個(gè)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(zhuān)利的雙級(jí)多串LLC拓樸架構(gòu)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。
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（如上圖）在傳統(tǒng)的大功率LED照明架構(gòu)圖上可以看到，它有兩個(gè)Block，第一個(gè)Block叫恒壓模塊，DC/DC出來(lái)以后得到一個(gè)恒壓的輸出，第二個(gè)是恒流模塊，恒流模塊是每串LED都會(huì)需要DC/DC升壓或降壓的電路，對(duì)每一串LED進(jìn)行恒流。這是傳統(tǒng)的典型的大功率LED驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浼軜?gòu)。
這種拓?fù)浼軜?gòu)的效率分布為：臨界模式PFC的最大值在97%左右，LLC諧振半橋效率目前在業(yè)界我們認(rèn)定是比較高的，它的效率大概是96%，每一串恒流降壓它的效率在95%左右，三個(gè)相乘的總效率（典型值）應(yīng)該在88%以內(nèi)。“當(dāng)然有的客戶可以做到90%，但會(huì)犧牲很多成本，比如說(shuō)二極管需要同步整流的二極管，這是用錢(qián)來(lái)提高效率。此外，在大的降壓上做一些軟塊干擾工作，來(lái)得到一個(gè)高效，這些都是一些方法。但它總體來(lái)說(shuō)效率不會(huì)太高，大概應(yīng)該在88%左右。”劉學(xué)超解釋道。
他繼續(xù)分析：傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的缺點(diǎn)，首先它的成本非常高，因?yàn)樗鼛в蠵FC、LLC電路，還有多串高壓Buck（輸入電壓是54V），高壓DC/DC成本是非常高的，每一串都需要一個(gè)?，F(xiàn)在的路燈電源實(shí)際上是4—12串，也就是說(shuō)你需要4—12串的Buck電路，有非常多的器件。
第二是效率非常低，從我們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，它的效率應(yīng)該是在88%左右。第三是可靠性非常差，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中每一串都需要一個(gè)Buck，PFC、LLC電路，整個(gè)電路由許多組件構(gòu)成，導(dǎo)致可靠變變差。
最后一個(gè)，也是很重要的一個(gè)，就是這種傳統(tǒng)架構(gòu)的EMI問(wèn)題也非常嚴(yán)重。因?yàn)槊恳淮瓸uck開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有進(jìn)行同步，串與串之間有相互的干擾。“我在客戶那兒看到，每一串輸出的時(shí)候加了一個(gè)共模電感，共模電感一方面增加了成本，另外在可靠性上面也會(huì)產(chǎn)生影響，所以，EMI是一個(gè)很大的問(wèn)題，原因是每一串DC/DC目前很難做到同步，因?yàn)檎麄€(gè)有4—12串的LED在上面。”劉學(xué)超說(shuō)道。
針對(duì)這種情況，TI的專(zhuān)家在2008年底提出一個(gè)拓?fù)浼軜?gòu)：直接恒流，一個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)多串LLC。相對(duì)于傳統(tǒng)的架構(gòu)，效率提升至93%。不過(guò)，由于當(dāng)時(shí)采用了三級(jí)多串變壓器架構(gòu)，還是需要三個(gè)IC：一個(gè)PFC，一個(gè)BUCK，一個(gè)PWM，成本并沒(méi)有明顯降低。
現(xiàn)在，這顆UCC25710出來(lái)，改為雙級(jí)多串變壓器架構(gòu)，可以把Buck降壓這一路給去掉，無(wú)需DC/DC降壓，也就是直接對(duì)每一串LED進(jìn)行控制，之后直接控制LLC諧振半橋電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)每一串的電流諧振控制。前提只需要一個(gè)升壓的PFC。這個(gè)電路非常簡(jiǎn)單：只需要一個(gè)升壓的PFC，再加上一個(gè)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(qū)動(dòng)電流。
所以，大功率LED照明的新型雙級(jí)多串LLC架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為以下四點(diǎn)：
一是效率提升，這個(gè)新的拓?fù)浼軜?gòu)實(shí)際總體效率可以達(dá)到92%。
二是成本很低，因?yàn)椴恍枰恳淮瓺C/DC的降壓，TI用一串變壓器可以驅(qū)動(dòng)兩串LED，兩串變壓器可以驅(qū)動(dòng)四串LED，采用的變壓器都是傳統(tǒng)的變壓器，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用恒壓的DC/DC對(duì)每一串進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。“實(shí)際上，我們是省掉了一個(gè)恒壓模塊。”劉學(xué)超稱(chēng)。
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(gè)集成在一個(gè)模塊上，而不是兩個(gè)，使得可靠性得到提升。“此外，目前傳統(tǒng)的方案用的電容更多，因?yàn)槊看瓺C/DC都需要電容，PFC也是電容，LLC也是電容。電容損壞也是影響LED路燈可靠性的一個(gè)重要因素。這個(gè)架構(gòu)的電容數(shù)少，沒(méi)有LLC、DC/DC電容，所以可靠性提升。”
第四，EMI問(wèn)題減小，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。電路沒(méi)有多串的DC/DC，只需要一個(gè)諧振半橋做出驅(qū)動(dòng)，這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計(jì)。“我們?cè)谶@個(gè)板子上有傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)板子設(shè)計(jì)好以后基本上就可以通過(guò)傳導(dǎo)的測(cè)試，我個(gè)人認(rèn)為，由于LLC電路本來(lái)的特點(diǎn)是非常好的EMI，性能非常好的一個(gè)電路，這相對(duì)于傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)來(lái)說(shuō)，EMI是非常好的。”他稱(chēng)。
此外，該電路可以兼容調(diào)光，還可以配合TI的無(wú)線Zigbee進(jìn)行調(diào)光，因?yàn)镮C是放在側(cè)邊或模擬調(diào)光，對(duì)LED整串進(jìn)行調(diào)光，來(lái)實(shí)現(xiàn)整體PWM或模擬調(diào)光。
“這個(gè)架構(gòu)里的技術(shù)關(guān)鍵是一個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)兩串LED，兩個(gè)變壓驅(qū)動(dòng)四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了。”劉學(xué)超說(shuō)道，為什么變壓器能做每串均流的控制呢？這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是非常簡(jiǎn)單的，就是我們把兩個(gè)變壓器的沿邊進(jìn)行串聯(lián)，如果逆時(shí)電感足夠得大，耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的話，它是一個(gè)扎比的關(guān)系，就是Ip1/Np = Is1/Ns1，這是第一個(gè)變壓器。第二個(gè)變壓器，由于它的沿邊是同一個(gè)變流，我們把沿邊做一個(gè)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(guò)這樣的變壓器持平衡方式來(lái)得到很好的電流的平衡度，理論上來(lái)說(shuō)這是非常簡(jiǎn)單的理論，但我們把它用在LED的驅(qū)動(dòng)電流上。
并且，劉學(xué)超表示，這里對(duì)變壓器沒(méi)有特殊的要求，一般的變壓器電感量冗余在正負(fù)10%以內(nèi)，變壓器場(chǎng)站一般要求正負(fù)10%以內(nèi)，“只要你能夠做到正負(fù)10%以內(nèi)，輸出電流的冗余小于正負(fù)3%就可以了。”其實(shí)，除了路燈應(yīng)用，它對(duì)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(gòu)，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能使用。“客戶看到我們這一創(chuàng)新型架構(gòu)后都非常高興，因?yàn)樗鼘?shí)實(shí)在在的減小了成本，并且提升了可靠性。”劉學(xué)超稱(chēng)。
高壓LED相比低壓LED競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯
在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅(qū)動(dòng)電流大大低于低壓LED。如以晶元光電的高壓藍(lán)光1WLED為例，它的正向壓降高達(dá)50V，也即它只需20mA驅(qū)動(dòng)電流就可以輸出1W功率，而普通正向壓降為3V的1WLED，需要350mA驅(qū)動(dòng)電流才能輸出1W功率，因此同樣輸出功率的高壓LED在工作時(shí)耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。
高壓LED可以大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換效率損失。以10W輸出功率為例，如果采用正向壓降為50V的1W高壓LED，輸出端可以采取2并4串的配置，4個(gè)串聯(lián)LED的正向壓降為200V，也就是說(shuō)只需從市電220V交流電（AC）利用橋式整流及降20V就可以了。但如果我們采用正向壓降為3V的1W低壓LED，即便10個(gè)串在一起正向壓降也不過(guò)30V，也就是說(shuō)需要從220VAC市電降壓到30VDC。我們知道，輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉(zhuǎn)換效率就越高，可見(jiàn)如采用高壓LED，變壓器的效率就可以得到大大提高，從而可大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損失，這一熱耗減少又可進(jìn)一步降低散熱外殼的成本。
因此，如采用高壓LED來(lái)開(kāi)發(fā)LED通用照明燈具產(chǎn)品，總體功耗可以大大降低，從而大幅降低對(duì)散熱外殼的設(shè)計(jì)要求，如我們可用更薄更輕的鋁外殼就可滿足LED燈具的散熱需求，由于散熱鋁外殼的成本是LED照明燈具的主要成本組成部分之一，鋁外殼成本有效降低也意味著整體LED照明燈具成本的有效降低。由此可見(jiàn)，高壓LED可以帶來(lái)LED照明燈具成本和重量的有效降低，但其更重要的意義是大幅降低了對(duì)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，從而有力掃清了LED照明燈具進(jìn)入室內(nèi)照明市場(chǎng)的最大技術(shù)障礙。因此，高壓LED將主導(dǎo)未來(lái)的LED通用照明燈具市場(chǎng)。