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

圖4 具有交叉連接式LED串并聯(lián)陣列

不平衡的電流會(huì)產(chǎn)生不平衡的熱量，從而導(dǎo)致消耗過多電流的LED 的發(fā)光功效立即降低，并使其快速退化。LED 路燈必須產(chǎn)生光束模式為 Y 的 X 個(gè)流明數(shù)，且必須能正確工作數(shù)年之久。確保系統(tǒng)不只在第 1 天更能在隨后的五年或 50,000 小時(shí)后仍能產(chǎn)生正確數(shù)量的光線的唯一方法是令每個(gè)LED串都有一個(gè)控制電流源。

多個(gè)降壓穩(wěn)壓器

在開關(guān)穩(wěn)壓器當(dāng)中，降壓穩(wěn)壓器是有口皆碑的，因?yàn)樗焐瓦m合用作電流源。降壓穩(wěn)壓器也是最簡(jiǎn)單、最便宜且最省電的傳統(tǒng)硬開關(guān)式拓樸結(jié)構(gòu)，且很多不同的廠商都提供了從控制 IC 到完整模塊的不同功率等級(jí)和配置的降壓穩(wěn)壓器 LED 驅(qū)動(dòng)器。具有多串 LED 的大功率 LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案，是為每串LED安裝降壓穩(wěn)壓器(如圖 5 所示)。由于降壓穩(wěn)壓器只能降低輸出電壓，因此只要使降壓穩(wěn)壓器的輸入電壓低于所需的閾值，即可確保在次級(jí)上獲得最大的直流電壓。由于早前在電信領(lǐng)域的普及以及常見的 60V DC的次級(jí)限制， 48V DC 是目前流行的輸入電壓值。這同時(shí)也為每串 12 個(gè)串聯(lián)的氮化銦鎵 (InGaN)LED，提供了介于最小輸入電壓和最大輸出電壓(LED 串電壓)之間合適的閾值。

圖5 適用于每個(gè)串的專用降壓穩(wěn)壓器。其所有VO

為每串 LED 安裝降壓穩(wěn)壓器的好處是能保證各串之間的電流相符，這對(duì)于要求較長(zhǎng)使用壽命的高質(zhì)量系統(tǒng)至關(guān)重要。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器均可通過 PWM 或線性調(diào)整 LED 電流來單獨(dú)調(diào)節(jié)光暗。部分降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器具有故障報(bào)告功能，所有降壓穩(wěn)壓器均可設(shè)計(jì)成在一定的輸出電壓范圍下提供較高的功率效率。如果發(fā)生故障，每個(gè)降壓穩(wěn)壓器均可向系統(tǒng)微控制器報(bào)告，在保持其他降壓穩(wěn)壓器繼續(xù)工作的情況下，可以關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)降壓穩(wěn)壓器。

多個(gè)降壓穩(wěn)壓器方案的缺點(diǎn)

為每串 LED 安裝一個(gè)降壓穩(wěn)壓器的第一大缺點(diǎn)是成本，盡管在路燈照明及高可靠性 HPWA 中，成本并非在消費(fèi)產(chǎn)品中那樣重要。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)功率電感器、一個(gè)輸入電容器(在大多數(shù)情況下還需要一個(gè)肖特基整流器和一個(gè)用于感測(cè)電流的功率電阻器)，以及用于不同模擬功能的各種小電阻器和電容器。多個(gè)降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)的第二大缺點(diǎn)(開關(guān)電源設(shè)計(jì)師會(huì)更為關(guān)注，其它人可能會(huì)忽視)，是當(dāng)多個(gè)大功率開關(guān)穩(wěn)壓器全部從相同輸入電源軌供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。所有開關(guān)穩(wěn)壓器在開關(guān)頻率諧波上均會(huì)產(chǎn)生 EMI 和基本開關(guān)頻率。當(dāng)以相同電源為工作在幾乎相同頻率上的兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，在輸入端通常會(huì)出現(xiàn)額外的 EMI(稱為拍頻)。在接近的兩個(gè)開關(guān)頻率的總頻率和差額頻率上，均會(huì)產(chǎn)生拍頻。降壓穩(wěn)壓器提供完美符合 LED驅(qū)動(dòng)需求 的平穩(wěn)輸出電流，但它帶來大量非連續(xù)的輸入電流脈沖，使其比升壓穩(wěn)壓器更容易產(chǎn)生拍頻。如果使開關(guān)頻率保持同步，則可以消除干擾。但遺憾的是，大多數(shù)降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器都不是固定頻率的基于時(shí)鐘的系統(tǒng)。非同步的遲滯和固定開路時(shí)間/固定斷路時(shí)間 (COT) 控制更為常見，因?yàn)槿菀走m應(yīng) LED 陣列的動(dòng)態(tài)負(fù)載，同時(shí)也因?yàn)檫t滯和 COT 控制可提供快速的轉(zhuǎn)換率以獲得最佳 的PWM 光暗調(diào)節(jié)性能。此解決方案需要非常周密的 PCB (印制板)布局，并要對(duì)每個(gè)降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行大量的輸入濾波。如圖 6 中所示，在許多情況下需要分立式輸入電感器，但即使不像消費(fèi)產(chǎn)品那樣對(duì)空間和成本有嚴(yán)格的控制，這些電感器仍是不受歡迎的。

圖6 輸入電感器和周密的PCB布局有助于避免拍頻

結(jié)語

路燈與 HPWA 照明都不是首個(gè)面對(duì)是提高眾多 LED 的功率還是將其合理布局到單個(gè)串聯(lián)鏈中的僵局的應(yīng)用。從移動(dòng)電話的小 LCD 屏開始，到 GPS、汽車信息娛樂裝置、便攜式計(jì)算機(jī)，再到現(xiàn)在的大屏幕 LCD 電視，背光照明 LED已被用于越來越大的屏幕中。雖然降壓穩(wěn)壓器統(tǒng)治著大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)，但升壓穩(wěn)壓器與多個(gè)線性穩(wěn)壓器的配合使用，才是背光照明系統(tǒng)的理想選擇。

本系列技術(shù)文章的第 II 部分，將探討如何拓展此類此前僅用于40～60 mA 驅(qū)動(dòng)電流下的 LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的范圍與功率，以解決路燈與 HPWA 照明所面臨的主要問題。