高效兩級 LED 驅動器中的裕量電壓控制：ILD8150E 參考設計解析

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

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一、背景與目的

兩級拓撲的優勢

隨著對調光 LED 驅動器的要求越來越高，兩級拓撲逐漸比單級拓撲更受歡迎。因為它能在整個調光范圍內提供更高的光質量，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校正（PFC），次級階段則在寬調光范圍內為 LED 提供恒定電流，同時還能抑制 100Hz/120Hz 的總線電壓紋波。

設計目標

本設計旨在通過結合 AC - DC 反激式控制器和 DC - DC 降壓轉換器，實現 LED 驅動器中的裕量電壓控制，從而提高系統性能、降低設計成本。

二、技術原理與問題分析

ILD8150 的工作特性

ILD8150 采用快速準確的滯回算法，無需反饋環路補償。其開關頻率 $f{sw}$ 會根據輸出電壓變化，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，開關頻率也會相應改變，這會導致在較低電壓時開關損耗顯著增加，進而造成更高的功率耗散。例如，在安全特低電壓（SELV）LED 驅動器中，輸出電壓通常會在 30V 到 59V 之間變化，開關頻率可能會變化 1.5 倍。

不同電感設計的權衡

參考設計 REF_ILD8150_DC_1.5A 和 REF_ILD8150_DC_1.5A_SMD 在不同電感下表現不同。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，但開關損耗較大。設計師需要在開關頻率和功率效率之間進行權衡，因為 IC 的功率耗散預算有限。

高頻操作的挑戰

在高頻操作時，設計師需要考慮兩個關鍵問題：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 內部延遲對調節精度的影響更大。

三、裕量電壓控制解決方案

控制原理

裕量電壓控制通過調節總線電壓 $V{OUT}$ 和 LED 電壓 $V{LED}$ 之間的差值，使其與預定義的參考電壓值匹配，從而確保降壓轉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 $V{OUT}-V{LED}$ 調節為幾伏的預定義值。

優勢體現

頻率穩定性：由于 $V{OUT}-V{LED}$ 保持恒定且只有低頻紋波，開關頻率隨 LED 電壓增加而增加的情況得到顯著改善，有效降低了開關損耗。
效率提升：測試表明，使用 100μH 電感時，系統效率可提高約 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。
成本與尺寸優化：使用更小的電感不僅有助于設計更輕、更緊湊的設備，還能降低物料清單（BOM）成本約 €0.50 到 €0.90。

四、參考設計的具體規格與性能

設計規格

規格	符號	值	單位
最大直流輸入電壓	$V_{DC}$	80	VDC
最大 LED 電流	$I_{LED max}$	1.5	A
LED 電壓范圍	$V_{LED}$	30 - 59	V
調光范圍	Dim	0.5 到 100	%
最大效率	$Eff_{max}$	97	%
標準合規		IEEE 1789（閃爍）
電路板尺寸		主電路板：81x27x24	mm

LED 電流設置與預校正

LED 電流可以通過連接器 X9 上的跳線進行設置，輸出電流范圍為 250 到 1500mA。但由于系統的開關延遲，LED 電流會存在調節偏移，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： $V{CSL}=V{CSL}(1 - f{SW}frac{t{delay}}{1 - D})$ $t{delay}=120ns + R{1}C{9}$

測量數據驗證

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量的 LED 輸出下都實現了效率提升。
其他性能指標：THD（總諧波失真）和功率因數在不同調光和輸入電壓條件下也表現良好，同時 IC 溫度明顯降低。

五、總結

總的來說，REF_ILD8150E_HE 參考設計中的裕量電壓控制技術為 LED 驅動器設計帶來了顯著的優勢，包括提高系統效率、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用的高效設計方案。在實際設計中，大家可以根據具體需求靈活選擇電感和電流設置，并充分考慮開關延遲等因素進行預校正，以實現最佳的性能。你在 LED 驅動器設計中遇到過哪些類似的挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。

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