需要大量LED的路燈照明方案 第I部分: 系統(tǒng)需求和現(xiàn)有解決方案

概述

LED 背光照明與通用照明使用不同類型的LED，許多通用照明應(yīng)用僅使用不超過 10 個大功率 LED(如 1W LED)，而背光照明則需使用幾百甚至數(shù)千個小型LED，這些LED功率在 50 mW至 200 mW間。這意味著目前為止所用的 LED 驅(qū)動器類型有很大的差別，其系統(tǒng)架構(gòu)同樣也差異巨大。但隨著路燈照明(以及停車場照明、倉庫照明等)的出現(xiàn)，這兩個應(yīng)用領(lǐng)域有了相似點，這是由于路燈照明中，高功率大面積照明(HPWA)所需的總輸出功率大大高于燈泡或熒光燈管的改良產(chǎn)品，因此需要使用大量 LED。背光照明 LED 驅(qū)動器可為每串 LED 提供線性電流源，并通過使用可動態(tài)調(diào)整電壓輸出的開關(guān)電源來提高功率效率，從而解決了如何控制串并聯(lián)陣列中大量 LED 的難題。直到現(xiàn)在，此類系統(tǒng)每通道的電流仍被限制在100 mA左右。美國國家半導(dǎo)體依循該設(shè)計理念，但同時將每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性戶外照明(也稱為路燈照明)所需的控制和保護功能。

簡介

考慮到經(jīng)過巧妙設(shè)計的 LED 路燈所具有的長期購置成本優(yōu)勢，政府機構(gòu)比個人消費者更容易選擇LED裝置，因此越來越多的城鎮(zhèn)正在考慮并安裝 LED 路燈。用于公共道路的路燈照明受眾多標(biāo)準(zhǔn)的制約(特別在調(diào)整最低和最高光線輸出及光束模式上)。這些規(guī)定因地而異，但它們都要求更高的光通量，因此，相對于一些常見的LED設(shè)計，如燈泡(總計300～600 流明)或 改良的T8 熒光燈管(1000～4000 流明，視長度而定)需要更高的功率。一盞路燈通常可要求10,000 流明或更高的最低光線輸出，相對地，以 20 ～ 40 mA 正向電流工作的小型 LED 的每瓦流明數(shù)表現(xiàn)更好，但它有兩個明顯缺點：第一，需要幾千個小型的 LED 才能滿足所需的總流明數(shù)，因數(shù)量龐大而帶來了可靠性問題;第二，大量小型 LED 有利于光線在大的表面上均勻地傳播，但路燈照明的控制光束要求需要透鏡在與點光源配合工作時具有最高的效率。目前市面上的單裸片 LED 的功率高達 10W，這從光學(xué)角度上看的確很好，但要將如此多傳導(dǎo)所產(chǎn)生的熱量從很小的面積散發(fā)出去，絕非輕而易舉。該熱量會導(dǎo)致更難獲得預(yù)期的很高的每瓦流明數(shù)。目前 LED 路燈通常會使用 50～200 個驅(qū)動電流為 350 mA 的 LED，因為該數(shù)目意味著發(fā)光效率與所需 LED 總數(shù)間的最佳平衡。

背光照明技術(shù)可以解決如何以高效、簡單且經(jīng)濟的方式來驅(qū)動眾多 1W LED的問題。但是，要利用背光照明技術(shù)，實現(xiàn)“將功率提高”至本系列第 I 部分中 HPWA 應(yīng)用所需的等級，則需權(quán)衡系統(tǒng)需求和現(xiàn)有解決方案的利弊。

使用單個串聯(lián)串

LED 光線輸出主要與正向電流成正比。為了確保光線輸出的LED在給定數(shù)量 內(nèi)，最簡單的解決方案是將LED 全部串聯(lián)。這種單個串聯(lián)串解決方案存在的主要問題是，只要其中一個 LED 故障開路，就會讓整個燈熄滅?，F(xiàn)在 LED 已經(jīng)變得更堅固耐用，許多 LED 具有反并聯(lián)奇納二極管或閘流晶體管，可將潛在的開路故障轉(zhuǎn)換成類似于短路的情況。對于沒有內(nèi)置 保護功能的LED，現(xiàn)在很多電子器件制造商可以提供與每個 LED 反并聯(lián)的分離式硅控整流器 (SCR) 鉗位。既然開路故障可以強制轉(zhuǎn)換成類似于短路的故障，因此不必?fù)?dān)心單個器件會導(dǎo)致整個燈出現(xiàn)問題，取而代之的，新的關(guān)注點在于判斷多少個 LED 發(fā)生故障會導(dǎo)致整個燈泡的維修。圖 1示意了使用 LM3409/09HV 降壓 LED 驅(qū)動器的高可靠性單串系統(tǒng)。

圖1 具有單串LED的高可靠性降壓驅(qū)動器

對單串解決方案而言，更為重要的是總驅(qū)動電壓 VO值。氮化銦鎵技術(shù)的改進之處是使 1W LED 的正向電壓接近于 3.0V，但經(jīng)過正向電壓盒的分配后，每個器件3.3V的 VF 是合理的預(yù)估值。將 50 個這樣的 LED 串聯(lián)在一起，總驅(qū)動電壓 為VO = n × VF 即 165V?？山邮艿淖畲?VO值主要取決于 IEC、UL 或 VDE 等安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，為了滿足安全性超低電壓IEC 規(guī)格，系統(tǒng)必須具有變壓器隔離的輸出，且次級系統(tǒng)上的最大直流電壓值必須小于 120V。所有可用的燈都會享有 SELV 認(rèn)證所帶來的巨大好處，因此，LED 驅(qū)動設(shè)計師通常會因較高的 VO 而放棄單串解決方案，并忽視可確保每個 LED 的驅(qū)動電流都相同的好處。

串并聯(lián)

當(dāng)需要具有限定次級電壓的隔離式系統(tǒng)時，唯一的選擇是采用多個 LED串。雖然該系統(tǒng)試圖采用一個大的電流源(如圖 2 中所示)或增加串聯(lián)功率電阻器(如圖 3 中所示)，但這些都不是適用于路燈的解決方案，因為它們無法確保不同串之間的驅(qū)動電流相等。圖 4 所示的交叉連接有時被視為平衡電流，及/或在發(fā)生開路故障時避免一整串燈變暗的有效方式，但這也僅僅是使每行 LED 的電壓保持為鉗位值。經(jīng)過進一步觀察發(fā)現(xiàn)，交叉連接仍然無法使電流相符，也無法避免任意的 LED開路或短路時會出現(xiàn)的進一步不平衡的狀況。

圖2 具有一個大的電流源的串并聯(lián)陣列

圖3 具有電阻器整流功能的串并聯(lián)陣列