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作者：英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區技術支持、首席工程師 李紀明 英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區技術支持、高級主任工程師 陳杰 摘要： LED照明產品標準迭代升級，以及使用者對照明光質量的追求，是制造廠商創新產品方案的動力。英飛凌廣泛的LED照明產品組合，一直以來是國際國內照明制造廠商青睞的選擇。 ICL88xx家族系列為新一代LED通用照明而設計研發，創新的混合信號控制技術，使得產品具有超高性價比。ICL88xx適用于反激AC-DC控制拓撲。基于ICL88xx設計的系統在提供高質量光輸出同時，具有高功率因素，低諧波失真，低EMI，高效率等性能。ICL8800具有家族系列全部基本功能，ICL8810及ICL8820在ICL8800基礎上增加額外功能，包括支持智能照明的低待機功耗，支持更好EMI性能的頻率抖動功能。 關鍵詞： LED驅動；AC-DC反激；高效率；低待機功耗；英飛凌 英飛凌AC-DC LED 驅動控制芯片，分為兩大類別：數字控制器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系統概述 ICL88xx組成的典型LED照明系統框圖如圖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，提高了光輸出的質量，而且降低了單級系統對設計余量的要求，大幅提高了整個系統的性能。基于這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 ICL88xx可以實現副邊反饋控制或者原邊反饋控制，根據項目的需求可自主選擇。原邊控制的優點在于不需要光耦，BOM成本相對節省；副邊控制比原邊控制具有更多優點：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光時仍能保持輸出恒定，同時保持高效率。對于深度調光的LED驅動器設計，副邊控制是最適合的。典型副邊控制ICL88xx系統如圖2所示。
圖2：典型ICL88xx副邊恒壓系統 ICL88xx集成創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品，ICL8800基本款具有優異的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（90Vac to 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； • 可調節最大導通時間，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，開環保護。 2．工作模式 ICL88xx電壓模式工作有利于功率因數校正，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，避免頻率過高；谷底數改變時，導通時間會同步優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 脈沖的產生基于從VS引腳引出的電流。這種方法具有更好的抗噪性。在包括突發模式在內的整個脈沖寬度范圍內，VS電流從200μA指數映射到600μA。在20μs到1μs的范圍內，映射相對良好，每50μA光電流的脈沖持續時間減少一半。
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 kΩ接地。該引腳的最小電流（通過光耦的電流加上12 k Ω 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。這已經確保了基本的高功率因數和低THD性能。 此外，ZCD引腳用于THD校正功能，根據檢測到的IZCD電流擴展驅動信號的脈沖寬度。這優化了輸入電流波形，尤其是在接近交流電壓過零的區域。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）。 1. 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、深度調光，以及帶有傳感器和MCU的更復雜系統，需要通過二次側調節（SSR）拓撲實現穩定的輸出電壓（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，是深度調光至0.1%和調滅的最佳解決方案。 本案例是基于SSR控制的43W設計。主要設計規格如下： • 輸入電壓：90 to 305Vac; • 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 輸出電壓調整率如下圖9：
圖9：電壓調整率 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, Burst mode及相關保護功能等。 2. 原邊控制案例 如果只需要調光到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 3. 小型化設計案例 小型化，高功率密度是電源產品設計的趨勢之一。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，從而減少系統的尺寸和成本。系統簡圖如圖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，可以使整個系統的體積大幅度減少。 三、設計工具 英飛凌提供基于ICL88xx的開發設計工具，方便設計者使用。點擊鏈接即可下載圖20所示界面的開發工具。https://www.infineon.com/cms/en/ ... -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驅動器電源系統的AC/DC一級，高PF，低THD，高效率，支持0.5%以下的調光，支持低待機功耗，支持小型化設計。能夠滿足絕大多數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 |
