高效两级 LED 驱动器中的裕量电压控制：ILD8150E 参考设计解析

在当今的照明领域，高效、可靠且成本效益高的 LED 驱动器设计至关重要。今天，我们就来深入探讨一下 ILD8150E 高效参考设计 REF_ILD8150E_HE，特别是其中的裕量电压控制技术，看看它如何提升系统性能并降低设计成本。

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一、背景与目的

两级拓扑的优势

随着对调光 LED 驱动器的要求越来越高，两级拓扑逐渐比单级拓扑更受欢迎。因为它能在整个调光范围内提供更高的光质量，并且符合 IEC 61000 - 3 - 2 标准的 C 类要求。初级阶段提供恒定的总线电压和功率因数校正（PFC），次级阶段则在宽调光范围内为 LED 提供恒定电流，同时还能抑制 100Hz/120Hz 的总线电压纹波。

设计目标

本设计旨在通过结合 AC - DC 反激式控制器和 DC - DC 降压转换器，实现 LED 驱动器中的裕量电压控制，从而提高系统性能、降低设计成本。

二、技术原理与问题分析

ILD8150 的工作特性

ILD8150 采用快速准确的滞回算法，无需反馈环路补偿。其开关频率 $f{sw}$ 会根据输出电压变化，公式为： $f{SW}=frac{R{CS}}{L(V{CSH}-V{CSL})+R{CS}V{IN}t{delay}} cdot frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}$ 当输出电压变化时，开关频率也会相应改变，这会导致在较低电压时开关损耗显著增加，进而造成更高的功率耗散。例如，在安全特低电压（SELV）LED 驱动器中，输出电压通常会在 30V 到 59V 之间变化，开关频率可能会变化 1.5 倍。

不同电感设计的权衡

参考设计 REF_ILD8150_DC_1.5A 和 REF_ILD8150_DC_1.5A_SMD 在不同电感下表现不同。前者使用 860µH 电感，可提供高达 1.5A 的 LED 电流，但需要较大的电感；后者使用 100µH 电感，能以较小的电感提供高达 800mA 的电流，但开关损耗较大。设计师需要在开关频率和功率效率之间进行权衡，因为 IC 的功率耗散预算有限。

高频操作的挑战

在高频操作时，设计师需要考虑两个关键问题：一是辐射电磁干扰（EMI）会变得更加明显，可能需要额外的输出 EMI 滤波器；二是 IC 内部延迟对调节精度的影响更大。

三、裕量电压控制解决方案

控制原理

裕量电压控制通过调节总线电压 $V{OUT}$ 和 LED 电压 $V{LED}$ 之间的差值，使其与预定义的参考电压值匹配，从而确保降压转换器的正常运行并抑制总线电压纹波。具体来说，通过运算放大器将 $V{OUT}-V{LED}$ 调节为几伏的预定义值。

优势体现

• 频率稳定性：由于 $V{OUT}-V{LED}$ 保持恒定且只有低频纹波，开关频率随 LED 电压增加而增加的情况得到显著改善，有效降低了开关损耗。
• 效率提升：测试表明，使用 100µH 电感时，系统效率可提高约 3%，达到 89.4%（输出 11 个 LED 时），在 16 个 LED 时也有 1.4% 的提升。
• 温度降低：在 $V{LED}=33V$，$I{LED}=1.5A$，$L = 100µH$ 的条件下，ILD8150E 的温度下降了 22.2°C。
• 成本与尺寸优化：使用更小的电感不仅有助于设计更轻、更紧凑的设备，还能降低物料清单（BOM）成本约 €0.50 到 €0.90。

四、参考设计的具体规格与性能

设计规格

规格	符号	值	单位
最大直流输入电压	$V_{DC}$	80	VDC
最大 LED 电流	$I_{LED max}$	1.5	A
LED 电压范围	$V_{LED}$	30 - 59	V
调光范围	Dim	0.5 到 100	%
最大效率	$Eff_{max}$	97	%
标准合规		IEEE 1789（闪烁）
电路板尺寸		主电路板：81x27x24	mm

LED 电流设置与预校正

LED 电流可以通过连接器 X9 上的跳线进行设置，输出电流范围为 250 到 1500mA。但由于系统的开关延迟，LED 电流会存在调节偏移，特别是在高占空比（$D > 0.8$）时更为明显。为了补偿这种偏移，需要对较低的电流感测（CS）参考电平 $V{CSL}$ 进行校正，计算公式如下： $V{CSL}=V{CSL}(1 - f{SW}frac{t{delay}}{1 - D})$ $t{delay}=120ns + R{1}C{9}$

测量数据验证

• 效率提升：与标准解决方案相比，采用裕量电压控制且使用 100µH 和 860µH 电感的电路板在不同数量的 LED 输出下都实现了效率提升。
• 其他性能指标：THD（总谐波失真）和功率因数在不同调光和输入电压条件下也表现良好，同时 IC 温度明显降低。

五、总结

总的来说，REF_ILD8150E_HE 参考设计中的裕量电压控制技术为 LED 驱动器设计带来了显著的优势，包括提高系统效率、降低 IC 温度、增加最大 LED 电流能力、减小电感尺寸和成本等。对于电子工程师来说，这是一个值得借鉴和应用的高效设计方案。在实际设计中，大家可以根据具体需求灵活选择电感和电流设置，并充分考虑开关延迟等因素进行预校正，以实现最佳的性能。你在 LED 驱动器设计中遇到过哪些类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。