模塊化結(jié)構(gòu)的大功率LED驅(qū)動器解決方案

　　手電筒、MR - 16燈泡的升級換代、應(yīng)急燈以及幾乎任何低功率白光照明應(yīng)用都已經(jīng)在采用LED技術(shù)。

　　接下來路燈可能是LED 技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的下一個領(lǐng)域。與手電筒和低功率應(yīng)用實例相比， LED路燈應(yīng)用也意味著更大的挑戰(zhàn)。

　　1 設(shè)計要求

　　LED路燈照明不會一蹴而就， 因為尚有重大的技術(shù)難題需要攻克。除了個別情況（如太陽能電池）， 路燈的輸入采用交流電源（通常被稱作“離線” ） ， 大多是120 V或230 V 交流電。就熒光燈燈管和高壓放電燈而言， 它們可選的離線運行鎮(zhèn)流器范圍較廣。但因為發(fā)光元件的數(shù)目很少， 這種電路很簡單。很少有熒光燈有四條以上的燈管， 而高壓放電燈采用的元件至少超過一個。然而LED 則大不相同， 即使包括“大功率” LED在內(nèi)， 大多數(shù)的功率只有0. 5W ~ 5W。盡管有一些例外的情況， 但對于路燈來說， 通常都需要采用100個或更多1W 的LED 才能發(fā)出其所需的數(shù)千流明的光。

　　LED 是電流驅(qū)動器件， 以350 mA 驅(qū)動的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向電壓VF。LED是動態(tài)電阻非常小的PN結(jié)二極管。給二極管施加超過VF三倍的電壓會導致電流量不受控制。如果將LED 直接連接到離線交流電壓， 它會發(fā)出很亮的光然后很快失效?！?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/驅(qū)動器">驅(qū)動器”這個術(shù)語， 被用來形容將離線電壓轉(zhuǎn)換為受控直流電流的功率調(diào)節(jié)電路。手電筒在被用壞之前很可能早已丟失。而路燈的應(yīng)用需求顯然與之不同， 因此， 長期的可靠性和產(chǎn)品使用壽命是路燈的主要考慮因素。LED 已被宣傳為持續(xù)時間最長的商業(yè)光源， 但如果燈可以持續(xù)使用數(shù)萬小時，則與之匹配的驅(qū)動器也必須能夠堅持使用相同長的時間。這意味著要更加留心電力驅(qū)動器的各個方面，包括從系統(tǒng)架構(gòu)到每個電路元件的選擇。

　　2 直流總線電壓

　　驅(qū)動100個LED 的方法之一是采用單個串聯(lián)鏈，如圖1所示。這可以確保經(jīng)過每個LED 的電流相同。

　　此外由于光線輸出與電流成正比， 所以這是保證每個器件發(fā)出相同光輸出的最佳方法。然而問題在于直流電壓很容易達到400 V。這樣高的電壓可能是致命的， 而且還需要較大且昂貴的元件。

　　驅(qū)動100個LED 的另一種方法是采用較低的直流電壓。眾所周知， 成本高的拓撲（如逆向轉(zhuǎn)換器）可以構(gòu)成良好的AC - DC 級， 因為它們可以將步降功能與電流隔離和功率因數(shù)校正PFC 組合起來。直流總線電壓通常為60 V 或低于60 V， 這一方面是因為在電信應(yīng)用中要48 V， 另一方面也是因為安全條例的規(guī)定（例如IEC 對安全超低電壓的定義）。48 V 配電電壓比數(shù)字電路的邏輯電壓高， 比整流的離線電壓低， 所以它通常被稱作“中間直流總線”。

　　3 DC- DC LED驅(qū)動器的拓撲

　　（ 1）當Vin >> Vo時采用降壓， 輸出電容器為可選件， 見圖2（ a） ;

　?。?2）當Vin

　　（ 3）當Vin和Vo重疊時采用降升壓， 有許多拓撲， 見圖2（ c）。

　　圖2 非隔離轉(zhuǎn)換器的三種主要類型

　　DC- DC 轉(zhuǎn)換器是LED 電源最后一級的自然選擇。LED需要直流電流， 因此電壓輸出也為直流。由于前一級已考慮了整流、PFC 和隔離的因素， 采用中間直流總線可以使設(shè)計師使用節(jié)約經(jīng)濟的非隔離DC- DC 轉(zhuǎn)換器。非隔離轉(zhuǎn)換器分為三種主要類型： 步壓或降壓、步升或升壓以及步升/步降或降升壓。圖2中描繪了這三種類型。在這些拓撲中， 降壓穩(wěn)壓器目前最適合驅(qū)動LED， 原因如下： 首先， 降壓電感在輸出端， 這意味著LED電流和電感電流的平均值相同； 而且， 輸出電流始終被電感明確控制； 其次， 步降電壓是功率轉(zhuǎn)換的最高效形式， 這使降壓器在所有開關(guān)轉(zhuǎn)換器中功率效率最高； 第三， 降壓器是最經(jīng)濟的開關(guān)轉(zhuǎn)換器， 因為最大的電流在輸出端， 最高的電壓在輸入端。由此， 在由功率MOSFET和二極管構(gòu)成的開關(guān)轉(zhuǎn)化器上， 這些功率轉(zhuǎn)換器件所獲得電流和電壓就最小。這就意味著可以廣泛地選擇電源開關(guān)、無源元件和控制IC， 從而構(gòu)成最經(jīng)濟的解決方案。

　　4 排列LED和選取驅(qū)動器IC

　　針對該示例中的設(shè)計， 將使用100 個1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線是一個明智之舉， 因為有現(xiàn)成且輸出功率選擇范圍廣泛的AC - DC 電源可供選用。一個48 V 的降壓LED 驅(qū)動器可用來驅(qū)動10個串聯(lián)的LED。10個這樣的驅(qū)動器可以構(gòu)成明亮的燈， 可以用來運行所有的100個LED，而無需使用危險的電壓。半導體制造商按照光通量、相關(guān)色溫CCT和正向電壓將他們的白光LED進行分類。對于保持一致的顏色和光輸出來說， 按色溫和光通量分類很重要， 但對LED 分類的規(guī)格越高， 成本也就越高。當使用各種檔次的LED 時， LED 燈的設(shè)計必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個LED 驅(qū)動器將被設(shè)計為350 mA 電流源， 可以從45 V ~ 51 V的輸入電壓產(chǎn)生30 V ~ 40 V 的輸出電壓范圍， 從而使每個LED的VF的可能變化范圍在3. 0 V ~ 4. 0 V。

　　LM3402HV 是一個具有內(nèi)部功率N - MOSFET 的降壓型穩(wěn)壓器， 運行電壓高達75 V， 由于其最低過熱電流限制為530mA， 因此也非常適合350 mA輸出電流， 如有必要足以驅(qū)動紋波電流范圍較寬的LED。圖3顯示了系統(tǒng)架構(gòu)， 圖4顯示了每個LM3402HV 的完整電路。

　　5 采用降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計難題

　　當使用降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時，最主要的設(shè)計難題是如何處理當輸入電壓最低時輸出電壓卻最高的情況。和許多開關(guān)穩(wěn)壓器相似，LM3402HV 無法無限地打開它的內(nèi)部功率N - MOSFET。在每個開關(guān)周期中， 穩(wěn)壓器必須關(guān)閉300 ns（最短關(guān)斷時間），以便刷新自舉電容器，該電容器是驅(qū)動內(nèi)部功率FET的電路的一部分。最短關(guān)斷時間是固定的，由于300ns占據(jù)開關(guān)周期的比例會越來越大，因此可以獲得的最大占空比會隨著開關(guān)頻率的提高而下降。以下這個示例，將基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 計算可能的最高開關(guān)頻率fSW-MAX。下面的等式可用來計算fSW-MAX。

　　LM3402HV 的典型開關(guān)頻率范圍為50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通?？梢栽诠β试锢沓叽纾ㄈ珉姼衅?，當開關(guān)頻率越高時會越?。┡c功率效率（當開關(guān)頻率越低時會越高）之間取得較好的平衡。

　　在本示例中， 無法使用500 kH z， 因此將使用370 kH z。

　　這將確保LED驅(qū)動器的元件盡可能最小， 同時在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅(qū)動所有10個LED。

　　6 避免串并聯(lián)陷阱

　　許多工程師會考慮由一個電流源驅(qū)動的串并聯(lián)陣列， 如圖5所示。對于本示例而言， 電路將成為以相同的30 V ~ 40 V 輸出電壓輸出3. 5 A 的單個電流源。