高效兩級 LED 驅(qū)動器中的裕量電壓控制：ILD8150E 參考設(shè)計解析

在當今的照明領(lǐng)域，高效、可靠且成本效益高的 LED 驅(qū)動器設(shè)計至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下 ILD8150E 高效參考設(shè)計 REF_ILD8150E_HE，特別是其中的裕量電壓控制技術(shù)，看看它如何提升系統(tǒng)性能并降低設(shè)計成本。

文件下載：Infineon Technologies ILD8150E參考板.pdf

一、背景與目的

兩級拓撲的優(yōu)勢

隨著對調(diào)光 LED 驅(qū)動器的要求越來越高，兩級拓撲逐漸比單級拓撲更受歡迎。因為它能在整個調(diào)光范圍內(nèi)提供更高的光質(zhì)量，并且符合 IEC 61000 - 3 - 2 標準的 C 類要求。初級階段提供恒定的總線電壓和功率因數(shù)校正（PFC），次級階段則在寬調(diào)光范圍內(nèi)為 LED 提供恒定電流，同時還能抑制 100Hz/120Hz 的總線電壓紋波。

設(shè)計目標

本設(shè)計旨在通過結(jié)合 AC - DC 反激式控制器和 DC - DC 降壓轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn) LED 驅(qū)動器中的裕量電壓控制，從而提高系統(tǒng)性能、降低設(shè)計成本。

二、技術(shù)原理與問題分析

ILD8150 的工作特性

ILD8150 采用快速準確的滯回算法，無需反饋環(huán)路補償。其開關(guān)頻率 $f{sw}$ 會根據(jù)輸出電壓變化，公式為： $f{SW}=frac{R{CS}}{L(V{CSH}-V{CSL})+R{CS}V{IN}t{delay}} cdot frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}$ 當輸出電壓變化時，開關(guān)頻率也會相應(yīng)改變，這會導(dǎo)致在較低電壓時開關(guān)損耗顯著增加，進而造成更高的功率耗散。例如，在安全特低電壓（SELV）LED 驅(qū)動器中，輸出電壓通常會在 30V 到 59V 之間變化，開關(guān)頻率可能會變化 1.5 倍。

不同電感設(shè)計的權(quán)衡

參考設(shè)計 REF_ILD8150_DC_1.5A 和 REF_ILD8150_DC_1.5A_SMD 在不同電感下表現(xiàn)不同。前者使用 860μH 電感，可提供高達 1.5A 的 LED 電流，但需要較大的電感；后者使用 100μH 電感，能以較小的電感提供高達 800mA 的電流，但開關(guān)損耗較大。設(shè)計師需要在開關(guān)頻率和功率效率之間進行權(quán)衡，因為 IC 的功率耗散預(yù)算有限。

高頻操作的挑戰(zhàn)

在高頻操作時，設(shè)計師需要考慮兩個關(guān)鍵問題：一是輻射電磁干擾（EMI）會變得更加明顯，可能需要額外的輸出 EMI 濾波器；二是 IC 內(nèi)部延遲對調(diào)節(jié)精度的影響更大。

三、裕量電壓控制解決方案

控制原理

裕量電壓控制通過調(diào)節(jié)總線電壓 $V{OUT}$ 和 LED 電壓 $V{LED}$ 之間的差值，使其與預(yù)定義的參考電壓值匹配，從而確保降壓轉(zhuǎn)換器的正常運行并抑制總線電壓紋波。具體來說，通過運算放大器將 $V{OUT}-V{LED}$ 調(diào)節(jié)為幾伏的預(yù)定義值。

優(yōu)勢體現(xiàn)

• 頻率穩(wěn)定性：由于 $V{OUT}-V{LED}$ 保持恒定且只有低頻紋波，開關(guān)頻率隨 LED 電壓增加而增加的情況得到顯著改善，有效降低了開關(guān)損耗。
• 效率提升：測試表明，使用 100μH 電感時，系統(tǒng)效率可提高約 3%，達到 89.4%（輸出 11 個 LED 時），在 16 個 LED 時也有 1.4% 的提升。
• 溫度降低：在 $V{LED}=33V$，$I{LED}=1.5A$，$L = 100μH$ 的條件下，ILD8150E 的溫度下降了 22.2°C。
• 成本與尺寸優(yōu)化：使用更小的電感不僅有助于設(shè)計更輕、更緊湊的設(shè)備，還能降低物料清單（BOM）成本約 €0.50 到 €0.90。

四、參考設(shè)計的具體規(guī)格與性能

設(shè)計規(guī)格

LED 電流設(shè)置與預(yù)校正

LED 電流可以通過連接器 X9 上的跳線進行設(shè)置，輸出電流范圍為 250 到 1500mA。但由于系統(tǒng)的開關(guān)延遲，LED 電流會存在調(diào)節(jié)偏移，特別是在高占空比（$D > 0.8$）時更為明顯。為了補償這種偏移，需要對較低的電流感測（CS）參考電平 $V{CSL}$ 進行校正，計算公式如下： $V{CSL}=V{CSL}(1 - f{SW}frac{t{delay}}{1 - D})$ $t{delay}=120ns + R{1}C{9}$

測量數(shù)據(jù)驗證

• 效率提升：與標準解決方案相比，采用裕量電壓控制且使用 100μH 和 860μH 電感的電路板在不同數(shù)量的 LED 輸出下都實現(xiàn)了效率提升。
• 其他性能指標：THD（總諧波失真）和功率因數(shù)在不同調(diào)光和輸入電壓條件下也表現(xiàn)良好，同時 IC 溫度明顯降低。

五、總結(jié)

總的來說，REF_ILD8150E_HE 參考設(shè)計中的裕量電壓控制技術(shù)為 LED 驅(qū)動器設(shè)計帶來了顯著的優(yōu)勢，包括提高系統(tǒng)效率、降低 IC 溫度、增加最大 LED 電流能力、減小電感尺寸和成本等。對于電子工程師來說，這是一個值得借鑒和應(yīng)用的高效設(shè)計方案。在實際設(shè)計中，大家可以根據(jù)具體需求靈活選擇電感和電流設(shè)置，并充分考慮開關(guān)延遲等因素進行預(yù)校正，以實現(xiàn)最佳的性能。你在 LED 驅(qū)動器設(shè)計中遇到過哪些類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。