中國政府大力推動的“十城萬盞”LED路燈示范工程最終被證明只是政策宣導(dǎo)行為，LED路燈還遠(yuǎn)沒到商業(yè)化程度，因為用不了一段時間，LED路燈不是亮度逐漸衰減，就是完全不亮了。究其原因，并不是大功率LED的壽命不足，而是LED驅(qū)動電源的散熱技術(shù)還不過關(guān)，因此不是LED的亮度受熱加速衰減，就是LED驅(qū)動電源由于不起眼的外圍小器件受熱燒壞而導(dǎo)致電源故障。
“大功率LED驅(qū)動電源效率低、工作空間受限和熱設(shè)計不夠好等原因會導(dǎo)致LED驅(qū)動電源工作環(huán)境溫度很高，很多器件頂不住這么高的溫度就被燒掉了。我也幫我們客戶看過燒壞的器件，很多只是小的三極管和二極管，但它們一燒壞整個電源就崩掉了。”TI高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)超解釋道，“這看起來是個小問題，但LED工作時產(chǎn)生的溫度非常高，70%的熱量是通過散熱片散的，散熱片后面就是驅(qū)動電源，溫度很高，很難控制。”
所以，業(yè)界現(xiàn)在的努力目標(biāo)是提升效率、降低溫度、提升集成度、減少元器件數(shù)量，并盡量用可靠的元器件。“比如說電感就是一個非常可靠的東西，電感是千百年來大家用的東西，而不是有源器件。”他補(bǔ)充道。
針對這個目標(biāo)，TI于今年正式推出了一種具有革命性創(chuàng)新的大功率LED(>100W)驅(qū)動架構(gòu)：雙級多串LLC拓樸架構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的LLC半橋驅(qū)動架構(gòu)，該創(chuàng)新架構(gòu)省掉了多串恒流DC/DC降壓電路(從而每一串都可省掉昂貴的高壓MOSFET、電感和電解電容)，改為多個變壓器串聯(lián)的雙級LLC諧振電路，直接實現(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)計更簡單。(如下圖)
“簡單來說，它就是將原來需要的恒壓級與恒流級合成為一級，相當(dāng)于省掉一個恒流級。”劉學(xué)超表示。
TI針對大功率LED照明的獨創(chuàng)性雙級多串LLC拓?fù)?圖片來源：TI)
新舊架構(gòu)的比較
上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對大功率LED照明和LED背光的、基于多個變壓器串聯(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、具有專利的雙級多串LLC拓樸架構(gòu)而專門設(shè)計的。
劉學(xué)超指出：“UCC25710是業(yè)界首款直接通過PFC輸出驅(qū)動多個LED串的單芯片LLC控制器，LLC與串聯(lián)LED開關(guān)控制支持PWM調(diào)光，而且可編程調(diào)光LLC開關(guān)斜坡，可消除噪聲。”
他解釋道，傳統(tǒng)LLC半橋拓?fù)浼軜?gòu)的缺點，首先它的成本非常高，因為它輸出端的每一串DC-DC降壓電路都需要一個高壓MOSFET、一個電感和電解電容，這些元件的成本是非常高的。現(xiàn)在的LED路燈驅(qū)動電源實際上有4到12串，也就是說你需要4到12串DC-DC降壓電路，這使得該架構(gòu)的成本很高。
其次是效率較低，它的效率一般低于88%。第三是可靠性較低，因為它需要很多元器件。最后一個，也是很重要的一個，就是這種傳統(tǒng)架構(gòu)的EMI問題非常嚴(yán)重。因為每一串降壓電路的MOSFET開關(guān)頻率很難做到同步，因此串與串之間有相互的干擾。
針對這種情況，TI的專家在2008年底提出一個拓?fù)浼軜?gòu)：直接恒流，一個變壓器驅(qū)動多串LLC。相對于傳統(tǒng)的架構(gòu)，效率提升至93%以上。不過，由于當(dāng)時采用了三 級多串變壓器架構(gòu)，還是需要三個IC：一個PFC，一個BUCK，一個PWM，成本并沒有明顯降低。
TI 100W新型多串半橋諧振高效LED驅(qū)動解決方案
現(xiàn)在，這顆UCC25710出來，改為雙級多串變壓器架構(gòu)，可以把Buck降壓這一路給去掉，無需DC/DC降壓，也就是直接對每一串LED進(jìn)行控制，之后直接控制LLC諧振半橋電路，來實現(xiàn)每一串的電流諧振控制。前提只需要一個升壓的PFC。這個電路非常簡單：只需要一個升壓的PFC，再加上一個多串的變壓器串聯(lián)恒流的諧振半橋，就可得到大功率的LED驅(qū)動電流。
所以，大功率LED照明的新型雙級多串LLC架構(gòu)的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下四點：第一，效率提升，這個新的拓?fù)浼軜?gòu)實際總體效率可以達(dá)到92%。第二，成本很低，因為不需要每一串DC/DC的降壓，TI用一串變壓器可以驅(qū)動兩串LED，兩串變壓器可以驅(qū)動四串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對每一串進(jìn)行驅(qū)動。
第三，它的元器件非常少，所以它的可靠性很好，把恒壓和恒流整個集成在一個級上，而不是兩個，使得可靠性得到提升。此外，傳統(tǒng)驅(qū)動方案用的電容很多，因為每串DC/DC降壓都需要電容，PFC也需要電容，LLC也需要電容。電容損壞也是影響LED路燈可靠性的一個重要因素。這個架構(gòu)的電容數(shù)少，所以可靠性提升。
第四，EMI問題減小，設(shè)計更簡單。電路沒有多串的DC/DC，只需要一個諧振半橋?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動，這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計。
此外，該架構(gòu)支持PWM調(diào)光，還可以配合TI的無線Zigbee進(jìn)行遙控調(diào)光。
“這個架構(gòu)里的技術(shù)關(guān)鍵是一個變壓器驅(qū)動兩串LED，兩個變壓驅(qū)動四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了。”劉學(xué)超說道，為什么變壓器能做每串均流的控制呢？這個問題實際上是非常簡單的，就是我們把兩個變壓器的沿邊進(jìn)行串聯(lián)，如果逆時電感足夠大，耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的話，它是一個扎比的關(guān)系，就是Ip1/Np = Is1/Ns1，這是第一個變壓器。第二個變壓器，由于它的沿邊是同一個變流，我們把沿邊做一個串聯(lián)，這樣的話Ip1/Ip2，Np1=Is2/Ns，這樣我們就可以得到Is1=Is2。就是通過這樣的變壓器平衡方式來得到很好的電流的平衡度，理論上來說這是非常簡單的理論，但我們把它用在LED的驅(qū)動電流上。
并且，劉學(xué)超表示：“該架構(gòu)對變壓器沒有特殊的要求，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。”而目前市面上一般的變壓器電感量冗余都能做到正負(fù)10%以內(nèi)。
“除了LED路燈應(yīng)用，它對于通用照明系統(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，因為它實實在在的減小了成本，并且提升了可靠性。”劉學(xué)超表示。