本文作者
英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)技術支持、首席工程師 李紀明
英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)技術支持、高級主任工程師 陳杰
英飛凌AC-DC LED 驅動控制芯片，分為兩大類別：數(shù)字控制器XDPL系列,針對高性能需求設計；混合信號控制器ICL系列，針對更高性價比需求場合。
跟市場上其他方案相比，ICL88xx具明顯優(yōu)勢：滿足最新IEC61000-3-2諧波要求及歐盟ERP2019年后的新標準要求；動態(tài)響應快；滿足智能照明要求的低功耗；支持應急照明設計；支持小型化高功率密度設計。
ICL88xx全系列高度集成AC-DC LED驅動ICs，支持功率可達150W，非常適合中小功率LED驅動電源設計，以及其他需要高PF或低待機功耗的應用領域。
一、ICL88xx功能描述
1. ICL88xx系統(tǒng)概述
ICL88xx組成的典型LED照明系統(tǒng)框圖如圖1所示，ICL88xx控制的反激輸出恒壓給后級，圖示兩級方案不但減小了輸出紋波，提高了光輸出的質(zhì)量，而且降低了單級系統(tǒng)對設計余量的要求，大幅提高了整個系統(tǒng)的性能?；谶@種拓撲架構可以設計從簡單入門級的LED驅動器到復雜的智能LED驅動器，靈活性和可擴展性非常高。
圖1：ICL88xx組成典型兩級LED驅動器系統(tǒng)
ICL88xx可以實現(xiàn)副邊反饋控制或者原邊反饋控制，根據(jù)項目的需求可自主選擇。原邊控制的優(yōu)點在于不需要光耦，BOM成本相對節(jié)??；副邊控制比原邊控制具有更多優(yōu)點：變壓器設計更容易更簡單，直接測量輸出電壓，不需要泄放電路，降低了過電壓的風險，同時也節(jié)省了成本；副邊控制可以和線性恒流控制器配合使用，減少DC-DC級的壓降，提升了效率；副邊控制在極輕載比如深度調(diào)光時仍能保持輸出恒定，同時保持高效率。對于深度調(diào)光的LED驅動器設計，副邊控制是最適合的。典型副邊控制ICL88xx系統(tǒng)如圖2所示。
圖2：典型ICL88xx副邊恒壓系統(tǒng)
ICL88xx集成創(chuàng)新混合信號控制技術，采用DSO-8封裝。家族系列一共有三款產(chǎn)品，ICL8800基本款具有優(yōu)異的PFC和THD性能，完善的功能及相關保護；ICL8810在ICL8800的基礎上增加了間歇模式，以支持智能照明低功耗需求；ICL8820在ICL8810的基礎上集成了了頻率抖動功能，在直流輸入模式下有更優(yōu)異的EMI性能。全系列支持以下功能：
- 反激恒壓輸出；
- 副邊反饋控制或原邊控制；
- 全電壓輸入（90Vacto 300Vac,45Hz to 66Hz）和直流輸入；
- 寬負載范圍提供高PF， 低THD;
- 滿載QR準諧振工作模式，輕載DCM 谷底開關；
- 可調(diào)節(jié)最大導通時間，低壓輸入限功率以保證安全；
- 開機軟起動；
- 間歇工作模式；
- 頻率抖動功能
此外，全系列集成過電壓，過電流，過溫度保護，及輸入過壓欠壓檢測保護，開環(huán)保護。
2．工作模式
ICL88xx電壓模式工作有利于功率因數(shù)校正，基于工作條件比如輸入電壓輸入頻率負載狀況等自動選擇最優(yōu)的工作模式。支持的工作模式有：
準諧振模式
這種模式通過控制導通時間讓開關在谷底開通，最小化開關損耗，以最大化系統(tǒng)效率。
圖3：第一個谷底開關波形
間歇模式
這種模式提高了系統(tǒng)在輕載時的效率，擴展了寬電壓輸入的功率范圍，滿足低待機功耗要求。
在高功率時，控制器工作在準諧振模式，功率降低時導通時間減少；功率降到一定程度時，控制器增加谷底數(shù)，避免頻率過高；谷底數(shù)改變時，導通時間會同步優(yōu)化使得功率相對恒定。
為了輸出最小的功率，ICL8810和ICL8820會進入間歇模式，間歇頻率是交流輸入頻率的四倍。
圖4：開關特性VS相對功率（ICL8810/ICL8820）
3. 反饋環(huán)
脈沖的產(chǎn)生基于從VS引腳引出的電流。這種方法具有更好的抗噪性。在包括突發(fā)模式在內(nèi)的整個脈沖寬度范圍內(nèi)，VS電流從200μA指數(shù)映射到600μA。在20μs到1μs的范圍內(nèi)，映射相對良好，每50μA光電流的脈沖持續(xù)時間減少一半。
圖5：導通時間與vs引腳電流的映射
為確保反饋回路正常運行，需要從VS引腳接一個12 k?接地。該引腳的最小電流（通過光耦的電流加上12 k ? 電阻的電流）導致最大功率傳輸，VS引腳輸出的最大電流導致最小功率工作點。為了獲得最佳的THD和PF結果，建議使用幾Hz的交叉頻率。
圖6：VS引腳電路
4．功率因數(shù)校正和THD校正
柵極驅動GD通過導通時間控制在電壓模式下驅動功率MOSFET。通過外部反饋回路抑制輸出紋波，可在交流半正弦波期間獲得準恒定的導通時間。這已經(jīng)確保了基本的高功率因數(shù)和低THD性能。
此外，ZCD引腳用于THD校正功能，根據(jù)檢測到的IZCD電流擴展驅動信號的脈沖寬度。這優(yōu)化了輸入電流波形，尤其是在接近交流電壓過零的區(qū)域。原理如圖7所示。
圖7：THD校正原理
二、設計案例
以下為設計案例的部分信息結果（基于運放反饋）。
副邊控制案例
由于一次側功率擴展以及二次側功能擴展更加方便，兩級拓撲越來越流行。高光質(zhì)、深度調(diào)光，以及帶有傳感器和MCU的更復雜系統(tǒng)，需要通過二次側調(diào)節(jié)（SSR）拓撲實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓（CV）。閃爍和總諧波失真（THD）以及諧波的更嚴格標準也更有利于SSR拓撲。SSR配置中使用的控制器適用于開/關LED驅動器，是深度調(diào)光至0.1%和調(diào)滅的最佳解決方案。
本案例是基于SSR控制的43W設計。主要設計規(guī)格如下：
- 輸入電壓：90 to305Vac;
- 輸出電壓：54Vdc
- 輸出電流：0-800mA
- 最低效率 (滿載)：91%
- 最小工作頻率（滿載）：52kHz
- 諧波：EN61000-3-2
- EMI：EN55015
電路板實物及PCB布局如下圖8所示。
圖8：43W SSR 電路板
輸出電壓調(diào)整率如下圖9：
圖9：電壓調(diào)整率
效率曲線如圖10:
圖10：效率曲線
空載待機功耗如圖11：
圖11：待機功耗
THD如圖12：
圖12：THD曲線
PF測量結果如圖13：
圖13：PF曲線
其他測試結果請參考相關文檔，比如諧波，EMI，Jitter, Burstmode及相關保護功能等。
原邊控制案例
如果只需要調(diào)光到5%到10%，并且可以接受更大的輸出電壓公差（3%到5%），那么就有可能采用PSR設計，與SSR解決方案相比，系統(tǒng)成本更低，省去了光耦，電壓基準和誤差放大器。ICL88xx系列可用于SSR系統(tǒng)以及PSR拓撲中的所有功能。
本案例為基于PSR控制模式設計的42W參考設計。主要規(guī)格如下：
- 輸入電壓 100-264Vrms
- 輸出電壓設定 Vout,setpoint 54V
- 輸出電流 Iout 0-750mA
- 最大效率（Pout,max）91%
- 目標最小頻率（Pout,max） 52kHz
圖14為設計電路板。
圖14：PSR設計案例電路板
圖15是輸出電壓調(diào)整率。
圖15：輸出電壓與負載
效率曲線如圖16所示。
圖16：參考設計效率
PF和THD分別如圖17和圖18所示。
圖17：PF曲線
圖18：THD曲線
小型化設計案例
小型化，高功率密度是電源產(chǎn)品設計的趨勢之一。提高工作頻率有利于縮小變壓器和被動器件的體積。使用ICL88xx有兩種小型化設計的方式。
ICL88xx SSR模式結合DC-DC 降壓變換器，使用電壓差值控制，可以顯著提高系統(tǒng)效率，降低后級Buck級溫度，并降低buck電感等組件的尺寸及成本，從而減少系統(tǒng)的尺寸和成本。系統(tǒng)簡圖如圖19所示，具體信息請參閱：《ILD8150E 高效率參考設計報告》。
圖19：ICL88xx+ILD8150高效率方案示意圖
使用ICL88xx做小型化方案還可以直接用高頻工作模式，ICL88xx可以工作在250kHz以上，搭配市面上開關速度最快的CoolMOS，或者搭配氮化鎵器件，可以使整個系統(tǒng)的體積大幅度減少。
三、設計工具
英飛凌提供基于ICL88xx的開發(fā)設計工具，方便設計者使用。點擊鏈接即可下載圖20所示界面的開發(fā)工具。 HYPERLINK "https://www.infineon.com/cms/en/product/power/lighting-ics/ac-dc-led-driver-ic/icl8810/#!tools"
圖20：ICL88xx設計工具
結論
本文描述了英飛凌LED AC-DC控制器ICL88xx的概況，并配以設計案例測試結果。ICL88xx非常適合LED驅動器電源系統(tǒng)的AC/DC一級，高PF，低THD，高效率，支持0.5%以下的調(diào)光，支持低待機功耗，支持小型化設計。能夠滿足絕大多數(shù)智能照明對控制芯片的要求。
參考文獻
Infineon_Datasheet_ICL88xx_Rev1.0
Infineon-Design_guide_Lighting_ICs_ACDC_LED_Driver_ICs_ICL88xx-ApplicationNotes-v02_00-EN
Infineon-Reference_board_REF_ICL8810_LED_42W_PSR-ApplicationNotes-v01_01-EN
Infineon-Reference_boards_REF_ICL88xx_LED_xxx-ApplicationNotes-v01_00-EN
Infineon-Engineering_report_ILD8150E_LED_Driver_high_efficiency_reference_design-ApplicationNotes-v01_00-EN
Power and Sensing Selection Guide 2022
下載文檔
