一個三級電源就可高效驅(qū)動多個LED串

JAMES ALIBERTI 說：一個 PFC 級即反向恒流降壓穩(wěn)壓器和一個下行 DC/DC 變壓器電路就可以高于 90% 的效率驅(qū)動 LED。

諸如路燈、體育場照明的高頂棚燈等一些高功率 LED 照明應(yīng)用之所以青睞多串架構(gòu)是有多方面原因的，其中主要包括：易于設(shè)計性、靈活性和安全性因素。主要的工程難題就是效率、長使用壽命以及均勻的光輸出等。長使用壽命和較高的效率在 LED 照明系統(tǒng)的整體價值定位中起到了關(guān)鍵的作用，因為要想降低維護費用的發(fā)生，這些都是必須的。

多串架構(gòu)最常見的方法是購置一款具有功率因數(shù)校正 (PFC) 功能前端的現(xiàn)成電源，該前端具有一個隔離式恒流 DC 輸出電壓且該輸出電壓饋至每個 LED 串的穩(wěn)壓器。為了最大化效率，首選的方法是使用降壓轉(zhuǎn)換器和一個具有最高可能 DC 輸出(該輸出仍位于 II 類或 60VDC SELV 最高電壓電平范圍內(nèi))的電源。就此方法而言，我建議使用一個 36V 或 48V DC 輸出，因為這兩個輸出均為電信應(yīng)用中通常使用的現(xiàn)成普通電源。

多個降壓轉(zhuǎn)換器方法

多個降壓轉(zhuǎn)換器方法具有一些優(yōu)勢，即簡易性和加速產(chǎn)品上市的優(yōu)勢。但是這種方法可能會很昂貴，尤其隨著 LED 串?dāng)?shù)量的增加，這種方法就需要更多的降壓轉(zhuǎn)換器。一個簡單的降壓穩(wěn)壓器電路通常由一個脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器、電感、MOSFET、二極管以及一些電阻和電容組成。如果需要更高的效率，那么您就可以用一個 MOSFET 來代替續(xù)流二極管并使用一個可以實現(xiàn)同步降壓運行的 PWM 控制器。

一個替代方案是使用基于德州儀器 (TI) SimpLEDrive 技術(shù)的多變壓器方法，如圖 2 所示。該方法使用了一個由 PFC 部分、反向恒流降壓穩(wěn)壓器和下行 DC/DC 變壓器電路組成的三級方法。該方法提供了高于 90% 的效率和可以產(chǎn)生最高質(zhì)量最均勻亮度輸出的高級串電流穩(wěn)壓。其還可以通過添加單個串消弧電路(該電路由無源可控硅整流器 (SCR) 組成)為更高可靠性提供冗余。在單個 LED 開路的情況下，消弧電路高效地短路故障串，但仍對剩下的串保持良好的電流調(diào)節(jié)。這些特性和更低的總體系統(tǒng)成本以及模塊性使得多變壓器方法成為一個曲型的 LED 照明電源解決方案。

在使用多變壓器方法時，要注意該方法為一種電氣隔離設(shè)計，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計在 UL II 類或 SELV 電平范圍內(nèi)，即 60VDC 或 42VAC。由于輸出電壓介于該范圍，因此其可以大簡化照明結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而避免了反復(fù)的安全機構(gòu)的批準(zhǔn)流程。該特性增加了相同電源滿足其他照明應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性。

就運行情況而言，多變壓器方法擁有高于 1% 的更好串電流匹配。它具有可獲得高效率的諧振運行，并且隨著串?dāng)?shù)量的增加其性價比也會更高。

三級方法的內(nèi)部原理

PFC 電路的輸出為一個升壓的 DC 電壓，該電壓設(shè)置在輸入線電壓峰值以上 10-20% 左右。PFC 輸出被饋至下一個級，該級是一個配置用來產(chǎn)生恒流輸出的反向降壓穩(wěn)壓器。反向降壓就是一次側(cè)恒流控制環(huán)路被關(guān)閉的地方。該降壓的電流輸出被下行饋至 DC/DC 變壓器電路，該電路由一個半橋接控制器、兩個 MOSFET、電容 C1 和 C2 以及一些變壓器組成。

之后，該電流經(jīng)過半橋接 MOSFET 開關(guān)，到達串聯(lián)變壓器的一次側(cè)。電容 C1 和 C2 具有諸多功能，其中包括半橋接分壓器功能、諧振電路組件功能以及 DC 阻斷電容功能，其可避免變壓器飽和。

諧振運行允許 MOSFET 以零電壓轉(zhuǎn)換 (ZVS) 運行。這就大大降低了開關(guān)損耗并提供了以更高頻率運行的選項，以縮小無源組件的尺寸并最大化電源效率。

DC/DC 級將 DC 電流轉(zhuǎn)換成 AC 電流，并整流流經(jīng)所有串聯(lián)變壓器一次側(cè)的交流電流。該方法提供了更大的靈活性，因為其允許將更多的變壓器串聯(lián)以支持更多的 LED 串。

要想計算變壓器匝比，我們需要串的總數(shù)量以及 LED 串正向電壓的一個很好的近似值。這些假設(shè)均基于每個串都具有相同數(shù)量的 LED。設(shè)計旨在實現(xiàn)最高效率

在電源設(shè)計中，實現(xiàn)最高效率的最佳實踐是盡可能地少處理一些功率。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要最小化輸出-輸入電壓比，即輸出電壓應(yīng)盡可能地接近輸入電壓。由于大多數(shù)高功耗照明應(yīng)用都需要 PFC，因此出于簡單的目的，我們只將其看作是一個功能模塊并向其輸出分配一個典型值，并且知道其會根據(jù)諸多因素而發(fā)生變化。

大多數(shù)有源 PFC 電路均可作為一個升壓轉(zhuǎn)換器使用，因此 PFC 輸出電壓必須 要高于最高 AC 線壓的峰值。就 85-265VAC 的一般輸入范圍電源而言，其約為 375V 的峰值電壓。由于容差和紋波，我們添加了動態(tài)范圍上限 (headroom)，因此 400V 是一個典型的設(shè)定值。

源自 PFC 部分的 400V 電壓被饋至下行反向降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端。由于反向降壓需要保持穩(wěn)壓，如果 PFC 輸出與所說的 AC 線路紋波不同(該紋波通常出現(xiàn)在有源 PFC 電源設(shè)計中)，我們就需要確定 PFC 電壓的最低輸出電壓。 如果我們假設(shè) 40V 的典型紋波容量(所有的紋波容量都用 LED 負(fù)載和大型存儲電容標(biāo)出)，那么 400V 減去 40V 就得出反向降壓的最低輸入電壓為 360V。

反向降壓也需要設(shè)計一些有一定規(guī)定的工作合規(guī)電壓輸出。因此在這種情況下，我們將使用 80V，從而得到 280V 的輸出。

10-LED 串示例

既然我們已經(jīng)固定了我們的工作邊界，那么就讓我們來看看闡述了如何計算反向降壓的恒流設(shè)定值以及如何確定變壓器匝比的一個設(shè)計實例吧。

在該示例中，我們使用了兩個變壓器以 1A 的電流驅(qū)動 4 個LED 串，每個串由 10 個高功率 LED 組成。我們將假設(shè)每個 LED 的正向電壓 (Vf) 為 3.5V，即總的串電壓為 35V。

反向降壓穩(wěn)壓器的 280V 輸出現(xiàn)在就成為 DC/DC 變壓器電路的輸入。就就是說，施加于串聯(lián)一次側(cè)的電壓為 280V 電容分壓器(由C1 和 C2 組成)電壓的一半，即總串聯(lián)一次側(cè)變壓器裝置兩端的電壓為 140V。每個變壓器的一次側(cè)電壓 (Vp) 為橋接電壓 (140V) 除以變壓器的數(shù)量 (2)，即 Vp=70V。

現(xiàn)在計算變壓器匝比就變得簡單了，如方程式 1 所示：

計算設(shè)定值

要想計算反向降壓的電流輸出設(shè)定值，只要看一下整個 LED 串的總輸出功率并返回到電流控制環(huán)路關(guān)閉的反向降壓級就可以了。以 1A 電流驅(qū)動 4 個 10-LED 的串，相當(dāng)于 140W 的總輸出功率。如果將反向降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓設(shè)置為 280V，則電流輸出應(yīng)為大約 500mA。由于降壓穩(wěn)壓器下行將會發(fā)生更多的損耗，因此需要對反向降壓穩(wěn)壓器進行微調(diào)。

方程式 2 計算了降壓穩(wěn)壓器的電流設(shè)定值 (Iset)。

本練習(xí)說明了利用多變壓器進行設(shè)計的簡單易懂程度。通過簡單的調(diào)整，您就可以滿足各 LED 電流或不同 LED 串?dāng)?shù)量的要求。該模塊化解決方案通過很少的重新設(shè)計就可滿足許多照明應(yīng)用的要求。