高功率LED照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的新方法

　　摘要：傳統(tǒng)高功率LED驅(qū)動(dòng)電源大多采用直流并聯(lián)LED的方式工作，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，但目前高亮度LED消耗的電流可達(dá)350mA甚至更高，因此傳統(tǒng)方法的損耗極大，效率低;本文提出了一種串聯(lián)輸入多并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)現(xiàn)方法，具有高性價(jià)比，輸出電流大，失真度低，且具有優(yōu)異的串電流調(diào)節(jié)功能等優(yōu)點(diǎn)。

　　引言

　　在諸如路燈、高棚燈、體育場(chǎng)照明以及其他許多高功率照明應(yīng)用中，其發(fā)展正轉(zhuǎn)向使用LED作為光源的固態(tài)照明。這是因?yàn)槠涓吣苄Ш透途S護(hù)頻率的價(jià)值定位，而這兩個(gè)因素也證明了這種轉(zhuǎn)換的合理性^[1]。

　　在此類(lèi)高功率照明應(yīng)用中，人們考慮使用各種各樣的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)這些照明燈^[1-9]。本文中，我們將討論一種新的串聯(lián)輸入多并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有更高的效率和更低的系統(tǒng)成本，并且可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED。

　　工作原理

　　要想充分地了解這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，我們就必須首先研究現(xiàn)在考慮使用或者已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中取得較好效果的各種方法。

　　一種簡(jiǎn)單的方法是，使用一個(gè)能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為DC輸出電壓(例如：12伏或24伏)的電源;然后，讓并聯(lián)LED串在這個(gè)電源下工作，并在每個(gè)串中使用電阻器來(lái)調(diào)節(jié)電流^[1]。這是一種低成本的方法。但是，當(dāng)今的高亮度LED可消耗超過(guò)350mA的電流，因此這種方法的損耗極大。它的效率較低，而且電流調(diào)節(jié)效果較差，而這又會(huì)使串與串之間的光線差異極為明顯。

　　要改進(jìn)這種方法，需用線性穩(wěn)壓器取代電阻器，從而改善所有串的光線輸出一致性[2]。但是這樣做僅有這一個(gè)好處，而在效率或功耗方面并沒(méi)有明顯的改善。降低功耗對(duì)于最大化LED使用壽命來(lái)說(shuō)非常重要。這兩種方法中，無(wú)論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源，都會(huì)極大地縮短LED的使用壽命。

　　另一種同樣非常簡(jiǎn)單的方法是制作一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的單一串聯(lián)串，使用一個(gè)能夠產(chǎn)生高壓DC恒定電流源的單電源^[3]。這種方法的高壓工作將其置于60VDC或42VRMS安全超低壓(SELV)電平以上。它將照明設(shè)備或附件與安全機(jī)構(gòu)許可過(guò)程綁定，并極大地降低了將相同電氣設(shè)計(jì)運(yùn)用到其他應(yīng)用中的靈活性。

　　單串方法的另外一個(gè)考慮因素是可靠性。如果只有一個(gè)LED開(kāi)啟，那么您就要釋放整個(gè)照明設(shè)備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個(gè)LED 開(kāi)啟，例如：加裝許多消弧電路(crowbar)或器件等，但是這會(huì)增加燈具的成本和復(fù)雜性^[4]。

　　高功率LED照明應(yīng)用中最為常用的方法是，使用具有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電流調(diào)節(jié)的多串架構(gòu)^[5]。這樣，一個(gè)主電源就將AC電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)DC總線電壓，其一般在SELV電平以下。然后，該總線為并聯(lián)LED串供電，其每一個(gè)串都擁有一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器(最為常見(jiàn))或升壓轉(zhuǎn)換器。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將會(huì)把分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樵诔杀竞徒M件數(shù)目方面它都與升壓轉(zhuǎn)換器非常類(lèi)似。

　　例如，圖1顯示的是低成本簡(jiǎn)易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個(gè)PWM控制器、電感、MOSFET、二極管以及少量的電阻和電容組成。如果要求更高的效率，則可以用一個(gè)MOSFET代替二極管，并使用一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)同步降壓運(yùn)行的PWM控制器^[6]。

　　圖2顯示的是一個(gè)利用降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)的高功率、多串照明應(yīng)用的各個(gè)子系統(tǒng)模塊。

　　AC電源輸入經(jīng)過(guò)整流，供給一個(gè)功率因數(shù)校正 (PFC)升壓電路，其PFC會(huì)產(chǎn)生一個(gè)400V的高壓，從而向下游隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器提供輸入。之后，該 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出被用于產(chǎn)生一個(gè)低壓總線(一般為12V或24V范圍，從而向經(jīng)過(guò)降壓調(diào)節(jié)的LED串供電^[7]。

　　這種方法擁有較高的效率，也是最小LED串的理想選擇。但是，對(duì)于那些具有4個(gè)或更多串的高功率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，組件數(shù)量和成本都會(huì)有所增加。就電子組件廠商和供應(yīng)鏈來(lái)說(shuō)，可能會(huì)有可觀的銷(xiāo)售。然而，對(duì)于照明設(shè)備廠商及其用戶來(lái)說(shuō)，高成本并不利于產(chǎn)品的廣泛使用。固態(tài)照明的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展需要的是低成本驅(qū)動(dòng)電路，它可以讓這個(gè)市場(chǎng)成型并順利發(fā)展。

　　圖3顯示的是一個(gè)串聯(lián)輸入多并聯(lián)LED(SIMPLE)驅(qū)動(dòng)器。它是一種高性價(jià)比的多LED串驅(qū)動(dòng)方法。除PFC外，它是一種兩級(jí)方法，包括一個(gè)反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個(gè)下游DC/DC變壓器電路。它極為高效，具有優(yōu)異的串電流調(diào)節(jié)功能，并且(最為重要的是)還是一個(gè)低成本的方法。它本身還可以具有為每個(gè)串加裝的單無(wú)源作用硅芯片控制的整流器(SCR)消弧電路冗余。如果一個(gè)LED 或串開(kāi)啟，它不會(huì)釋放其余串。

　　在我們深入研究其運(yùn)行情況之前，讓我們首先對(duì)那些使用SIMPLE驅(qū)動(dòng)多變壓器方法時(shí)突出的問(wèn)題進(jìn)行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電隔離設(shè)計(jì)，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計(jì)在SELV電平以下。當(dāng)輸出電壓保持在SELV電平以下時(shí)，其就消除了讓照明設(shè)備與電源結(jié)合的要求，并且互連獲得了安全機(jī)構(gòu)的許可。