高效可靠LED街燈照明電源設計

　　相較于傳統的照明技術(shù)，LED燈具有較高的效率，及更長(cháng)的使用壽命。因而成為首選的燈泡類(lèi)型，以期減少室內/外照明的能耗。事實(shí)上，對于街燈而言，更高的效率和更長(cháng)的壽命對于降低成本是不可或缺的。為LED燈供電而設計的開(kāi)關(guān)電源也必須具有高效率和耐用性，以確保其具有與LED燈同樣長(cháng)的免維護使用期。在這裡，諧振轉換器是最流行的電源拓撲之一，這是因為相較于先前的電源拓撲，它們的性能帶來(lái)了更高的電源效率，并可減少EMI。軟開(kāi)關(guān)是諧振轉換器的一項重要特點(diǎn)。但諧振轉換器中使用寄生二極體（body diode）有時(shí)會(huì )導致系統失效。儲存在寄生二極體中的電荷必須被完全清除，以避免出現大電流和電壓突波，包括拓撲結構中的高dv/dt和高di/dt。因此，功率MOSFET的關(guān)鍵參數如Qrr和反向恢復dv/dt，會(huì )直接對諧振轉換器的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。本文將探討針對LED街燈照明的開(kāi)關(guān)電源之整體解決方案。新的諧振控制器結合新的功率開(kāi)關(guān)，可為L(cháng)ED照明電源提供高效解決方案，同時(shí)不會(huì )影響轉換器的耐用性和成本效率。

　　諧振轉換器實(shí)現高效率

　　市場(chǎng)上已經(jīng)有多款DC-DC功率轉換拓撲可用來(lái)減少功率轉換損耗、MOSFET元件應力和射頻干擾（radio frequency interference， RFI），同時(shí)實(shí)現高功率密度。其中，採用MOSFET的寄生二極體來(lái)實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)（zero voltage switching， ZVS）的諧振轉換器，已獲業(yè)界證實(shí)為可達到更高效率的有效元件。特別地，由于次級端沒(méi)有電感器，LLC諧振轉換器可在高輸入電壓下達到高效率，并且次級整流管上的電壓應力較低。此外，即便空載條件下，LLC諧振轉換器也能確保零電壓開(kāi)關(guān)的工作。ZVS技術(shù)能夠大幅地減少轉換損耗并大幅提高效率。零電壓開(kāi)關(guān)也顯著(zhù)地減少了開(kāi)關(guān)雜訊，允許使用小型電磁干擾濾波器。鑒于這些獨特的特性，LLC諧振轉換器正成為一種廣為業(yè)界所採用的拓撲，用于包括LED街燈的眾多應用之中。FAN7621S提供了建構可靠、穩健LLC諧振轉換器所需的全部功能，包含高端閘極驅動(dòng)電路、精確的電流受控振盪器、頻率限制電路、軟啟動(dòng)和內建的保護功能，能夠簡(jiǎn)化設計和提高生產(chǎn)力。它所提供的多種保護功能包括了過(guò)壓和過(guò)流保護（OVP/OCP）、異常過(guò)流保護（AOCP）和內部過(guò)熱關(guān)斷（TSD）功能。

　　鑒于LED街燈照明的特殊應用要求，所有的保護功能可以自動(dòng)重新啟動(dòng)，高端閘極驅動(dòng)電路具有共模消噪性能和優(yōu)良的抗噪性能，以確保工作時(shí)的穩定性。即便使用最新的諧振控制器，在短路輸出狀況下，轉換器的工作點(diǎn)可以移入零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）區域。圖1所示為工作點(diǎn)的移動(dòng)狀況。在此一狀況下，ZVS丟失而MOSFET上流過(guò)極大的電流。ZCS工作的最嚴重缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)發(fā)生硬開(kāi)關(guān)，這會(huì )導致MOSFET寄生二極體產(chǎn)生反向恢復應力。寄生二極體在很大的dv/dt下關(guān)斷，因而，在非常大的di/dt下，會(huì )產(chǎn)生很大的反向恢復電流突波，這些突波電流的幅度可以超過(guò)穩態(tài)電流的十倍以上。大電流會(huì )帶來(lái)相當大的損耗增加并使MOSFET發(fā)熱。而后，MOSFET的dv/dt性能由于結點(diǎn)溫度上升而下降，在極端狀況下，可能會(huì )毀掉MOSFET并導致系統失效。

　　最新的MOSFET技術(shù)

　　典型狀況下，MOSFET寄生二極體具有很長(cháng)的反向恢復時(shí)間和較大的反向恢復電荷。儘管性能不佳，在某些應用如諧振轉換器中，寄生二極體仍被當作續流（freewheeling）二極體使用，因為它能夠簡(jiǎn)化電路，不會(huì )增加系統成本。由于越來(lái)越多的應用使用本質(zhì)寄生二極體（intrinsic body diode）來(lái)當作系統的關(guān)鍵元件，快捷半導體深入分析了MOSFET的失效機制，針對諧振轉換器設計了全新且高度優(yōu)化的功率MOSFET產(chǎn)品，提升了寄生二極體的穩健性并減少了輸出電容的儲能。如表1所述，相較于其它方案，全新UniFET II MOSFET系列的反向恢復電荷（Qrr）明顯地少了50％和88％。

　　MOSFET的電容是非線(xiàn)性的并且依賴(lài)于漏源電壓，因為它的電容本質(zhì)上是一種結電容。對于軟開(kāi)關(guān)應用，MOSFET輸出電容可當作諧振元件使用。當MOSFET導通時(shí)，儲存在變壓器中的磁能轉化為電流流動(dòng)，使得MOSFET的輸出電容放電，以便達到ZVS工作的條件。因此，若MOSFET輸出電容中儲能較少，則為達到軟開(kāi)關(guān)而所需的諧振能量也較少，不需要增加循環(huán)能量（circulating energy）。相較于導通電阻相同的其它競爭對手的元件，在典型的開(kāi)關(guān)電源大電容電壓下，UniFET II MOSFET系列在輸出電容中的儲能減少約35％。輸出電容中儲存能量的特性如圖2所示。

　　對諧振轉換器的效益

　　二極體從導通狀態(tài)變化至反向阻斷狀態(tài)的轉換過(guò)程稱(chēng)為反向恢復。在二極體正向導通期間，電荷被儲存在二極體的P-N結中。當施加反向電壓時(shí)，所儲存的電荷會(huì )被消除，從而返回到阻斷狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)兩種現象消除儲存的電荷：大反向電流的流過(guò)和重組（recombination）。在此過(guò)程中，二極體中產(chǎn)生大反向恢復電流。就MOSFET寄生二極體來(lái)說(shuō)，某些反向恢復電流就在N+源極下流動(dòng)。圖3顯示了在寄生二極體反向恢復期間MOSFET的失效波形。對于競爭產(chǎn)品A，失效就發(fā)生在電流水準達到最大反向恢復電流后，即dv/dt為6.87V/ns。這意味著(zhù)峰值電流觸發(fā)了寄生雙極結晶體管（BJT），但UniFET II MOSFET系列則能避免，直到dv/dt達到更高的14.32V/ns。

　　圖4顯示了UniFET II MOSFET系列堅固的寄生二極體如何在輸出短路下提高轉換器的可靠性。在輸出短路后，工作模式從ZVS轉變?yōu)閆CS。由于Qrr更小，UniFET II MOSFET系列的電流突波降低了很多，而最重要的是，元件并未失效。

　　轉換器的其它異常模式可能發(fā)生在啟動(dòng)階段。圖5顯示了啟動(dòng)階段的開(kāi)關(guān)電流波形。電流突波的高峰值超過(guò)27A，是由大的反向恢復電流所引起的。它可以觸發(fā)控制IC的保護功能。相反地，UniFET II MOSFET系列則不會(huì )出現大的電流突波。

　　為了比較UniFET II MOSFET系列和競爭產(chǎn)品的功率轉換效率，我們設計了一款150W的LLC諧振半橋轉換器。效率測試結果請參見(jiàn)圖6在整個(gè)輸入電壓範圍內，系統的效率高于競爭的MOSFET系統。效率較高的主要塬因是具有更低的Qg和Eoss，從而減少了關(guān)斷損耗和輸出電容性損耗。

　　全新功率MOSFET系列結合了扎實(shí)的本質(zhì)寄生二極體之性能和快速開(kāi)關(guān)特性，目的是在諧振轉換器應用中達到更好的可靠性和效率。由于降低了閘極充電電荷和輸出電容的儲能，降低了驅動(dòng)損耗，開(kāi)關(guān)效率也因而提升。UniFET II MOSFET系列以最低成本為設計人員提供了更好的可靠性和效率。