工程師分享：數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)的街道照明系統(tǒng)

　　為了通過(guò)降低正向電壓解決熱漂移問(wèn)題，提高系統(tǒng)總體能效，通過(guò)PWM和/或模擬調(diào)光技術(shù)控制亮度，獲得防失效管理和過(guò)熱控制功能，照明系統(tǒng)對(duì)具有特定控制功能的LED驅(qū)動(dòng)器的需求不斷提高。如果給建筑照明和街道照明等應(yīng)用增加價(jià)值，還需要在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)增加遙控功能。

　　因?yàn)榇蠊β室驍?shù)交流-直流變流器能夠把電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)換成更高的輸入直流電壓，所以普通照明LED驅(qū)動(dòng)器通常采用標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)?，這種驅(qū)動(dòng)器基于集成一個(gè)功率開(kāi)關(guān)的模擬單片解決方案，最大輸出電流達(dá)到 350mA。如果電壓高于50/60V，因?yàn)樾酒夹g(shù)限制，單片解決方案將無(wú)法勝任。 很多照明平臺(tái)需要那些使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的多路輸出系統(tǒng)，而這將會(huì)增加系統(tǒng)架構(gòu)和版圖設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本增加。

　　標(biāo)準(zhǔn)解決方案的主要應(yīng)用限制與基于并聯(lián)電阻器和內(nèi)部比較器的電流檢測(cè)方法有關(guān)。比較器把從靈敏電阻器回饋的電流與內(nèi)部參考電流值進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生一個(gè)用于控制柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)。這個(gè)常用的模擬控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)峰流的控制，因?yàn)長(zhǎng)ED光色漂移在很多要求嚴(yán)格的照明應(yīng)用領(lǐng)域是不準(zhǔn)許的，所以這種方法并不是高品質(zhì)照明的最佳解決方案。

　　1 創(chuàng)新的LED驅(qū)動(dòng)器

　　意法半導(dǎo)體提出一個(gè)能夠滿足照明要求的高成本效益的街道照明平臺(tái)解決方案。該方案具有優(yōu)異的性能、超高能效（全負(fù)荷時(shí)總體能效大于91%）、完整的防失效管理（過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和短路保護(hù)）功能。該平臺(tái)由兩大部分組成：電源部分與電流控制器。其中，電流控制器是一個(gè)數(shù)字電流控制器。電源電路的最大輸出功率達(dá)到130W （48V，2.7A），該電路由兩級(jí)電路組成：基于L6562AT的前端功率因數(shù)校正器（PFC）和基于L6599AT的LLC諧振轉(zhuǎn)換器。

　　這個(gè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下：

　　a 擴(kuò)展的歐洲輸入交流電壓范圍 （177 ÷ 277 VAC – 頻率 45 ÷ 55 Hz）
　　b 超高能效（全負(fù)載是93.85%）免除了對(duì)散熱器的需求
　　c 無(wú)電解電容器，長(zhǎng)久可靠
　　d 符合EN61000-3-2 Class-C （交流諧波）、EN55022-Class-B（EMI）和EN60950的雙絕緣 （SELV）標(biāo)準(zhǔn)

　　電流控制器的核心是采用一個(gè)以地線為參考的電流檢測(cè)方法，這個(gè)算法是由一個(gè)通用微控制器實(shí)現(xiàn)的，能夠調(diào)整反向降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流。該解決方案無(wú)需差分放大器或誤差放大器，更不需要網(wǎng)絡(luò)濾波器以及其它的外部無(wú)源器件。

LED廠商建議通過(guò)控制正向電流使發(fā)光二極管保持額定的光通量和特定的色溫。鑒于LED的亮度與正向電流值成正比，這個(gè)控制方法是最佳的LED電源解決方案。此外，LED的正向電壓與輸出功率受到結(jié)溫的嚴(yán)格限制，特別是大功率LED更是如此；結(jié)溫是眾所周知的影響質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)。準(zhǔn)確地說(shuō)，隨著結(jié)溫升高，正向電壓與輸出功率會(huì)逐漸降低，熱漂移會(huì)導(dǎo)致臨界電流升高。

　　為了通過(guò)降低正向電壓解決熱漂移問(wèn)題，提高系統(tǒng)總體能效，通過(guò)PWM和/或模擬調(diào)光技術(shù)控制亮度，獲得防失效管理和過(guò)熱控制功能，照明系統(tǒng)對(duì)具有特定控制功能的LED驅(qū)動(dòng)器的需求不斷提高。如果給建筑照明和街道照明等應(yīng)用增加價(jià)值，還需要在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)增加遙控功能。

　　因?yàn)榇蠊β室驍?shù)交流-直流變流器能夠把電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)換成更高的輸入直流電壓，所以普通照明LED驅(qū)動(dòng)器通常采用標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)?，這種驅(qū)動(dòng)器基于集成一個(gè)功率開(kāi)關(guān)的模擬單片解決方案，最大輸出電流達(dá)到 350mA。如果電壓高于50/60V，因?yàn)樾酒夹g(shù)限制，單片解決方案將無(wú)法勝任。 很多照明平臺(tái)需要那些使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的多路輸出系統(tǒng)，而這將會(huì)增加系統(tǒng)架構(gòu)和版圖設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本增加。

　　標(biāo)準(zhǔn)解決方案的主要應(yīng)用限制與基于并聯(lián)電阻器和內(nèi)部比較器的電流檢測(cè)方法有關(guān)。比較器把從靈敏電阻器回饋的電流與內(nèi)部參考電流值進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生一個(gè)用于控制柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)。這個(gè)常用的模擬控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)峰流的控制，因?yàn)長(zhǎng)ED光色漂移在很多要求嚴(yán)格的照明應(yīng)用領(lǐng)域是不準(zhǔn)許的，所以這種方法并不是高品質(zhì)照明的最佳解決方案。

　　1 創(chuàng)新的LED驅(qū)動(dòng)器

　　意法半導(dǎo)體提出一個(gè)能夠滿足照明要求的高成本效益的街道照明平臺(tái)解決方案。該方案具有優(yōu)異的性能、超高能效（全負(fù)荷時(shí)總體能效大于91%）、完整的防失效管理（過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和短路保護(hù)）功能。該平臺(tái)由兩大部分組成：電源部分與電流控制器。其中，電流控制器是一個(gè)數(shù)字電流控制器。電源電路的最大輸出功率達(dá)到130W （48V，2.7A），該電路由兩級(jí)電路組成：基于L6562AT的前端功率因數(shù)校正器（PFC）和基于L6599AT的LLC諧振轉(zhuǎn)換器。

　　這個(gè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下：

　　a 擴(kuò)展的歐洲輸入交流電壓范圍 （177 ÷ 277 VAC – 頻率 45 ÷ 55 Hz）
　　b 超高能效（全負(fù)載是93.85%）免除了對(duì)散熱器的需求
　　c 無(wú)電解電容器，長(zhǎng)久可靠
　　d 符合EN61000-3-2 Class-C （交流諧波）、EN55022-Class-B（EMI）和EN60950的雙絕緣 （SELV）標(biāo)準(zhǔn)

　　電流控制器的核心是采用一個(gè)以地線為參考的電流檢測(cè)方法，這個(gè)算法是由一個(gè)通用微控制器實(shí)現(xiàn)的，能夠調(diào)整反向降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流。該解決方案無(wú)需差分放大器或誤差放大器，更不需要網(wǎng)絡(luò)濾波器以及其它的外部無(wú)源器件。

　　該反向降壓拓?fù)涞哪Ｊ綖檫B續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），選擇CCM模式的原因是反向降壓拓?fù)涞墓β书_(kāi)關(guān)與地線相連，而不是像標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)淠菢舆B接上橋臂開(kāi)關(guān)。因此，在這個(gè)解決方案中，可直接使用微控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)邏輯電平（5V）或超邏輯電平（3.3V）功率開(kāi)關(guān)，無(wú)需任何柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)，這使總體解決方案變得簡(jiǎn)單且成本低廉。圖1所示是完整的照明解決方案。

　　靈活性是這個(gè)解決方案的研發(fā)目的，從低功率、低壓到大功率、高壓，該解決方案可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)最多16個(gè)輸出通道。意法半導(dǎo)體擁有街道照明專(zhuān)用產(chǎn)品組合，因此，該解決方案讓設(shè)計(jì)人員只使用一個(gè)拓?fù)渚湍芨采w各種不同的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　2 均流檢測(cè)：專(zhuān)用的微控制器外設(shè)

　　電流控制是這個(gè)平臺(tái)的與眾不同之處。該解決方案利用微控制器外設(shè)（高分辨率定時(shí)器和快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來(lái)管理電流控制過(guò)程。觸發(fā)器/時(shí)鐘控制器是定時(shí)器架構(gòu)的組件之一，模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)電路是觸發(fā)器/時(shí)鐘控制器內(nèi)置的一個(gè)特殊功能，通過(guò)TRGO信號(hào)可以管理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的四個(gè)觸發(fā)信源事件 （Reset, Enable, Up/Down, Count）。

　　在這個(gè)架構(gòu)內(nèi)有一個(gè)與PWM周期中心對(duì)準(zhǔn)的三角形載波，當(dāng)達(dá)到最大計(jì)算值時(shí)，該三角形載波利用TRGO信號(hào)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這個(gè)最大值正好是導(dǎo)通時(shí)間（Ton/2）波形周期的中間。

　　如果能夠保證連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行，這個(gè)觸發(fā)操作與隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程將會(huì)計(jì)算出均流值，而不是在電流增大期間通過(guò)軟件處理過(guò)程來(lái)估算均流，如圖2b所示。

圖2:a） 在導(dǎo)通期間（Ton）的LED電流； b） 在Ton/2期間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)操作

　　這個(gè)觸發(fā)功能嵌入在定時(shí)器架構(gòu)內(nèi)，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能夠用于電流回路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PI控制器調(diào)整電流前，轉(zhuǎn)換操作都是由軟件管理的，所以不會(huì)給CPU增加負(fù)荷。

　　此外，Ton/2電流值不受開(kāi)關(guān)操作的影響（圖3a），因?yàn)闆](méi)有阻容濾波器引起的延時(shí)，所以電流檢測(cè)精度不再是問(wèn)題。具有PWM調(diào)光功能的電流調(diào)整波形如 3b所示。

圖3:a） LED電流（綠色波形）和并聯(lián)變阻器上的電壓（紫紅色波形）； b） LED燈串上的均流控制
　　

一旦轉(zhuǎn)換操作結(jié)束，電流控制立即逐個(gè)通道地每3個(gè)PWM周期執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)處理程序（End Of Conversion Interrupt Service Routine），以確保適合的控制器帶寬。為最大限度地減少因控轉(zhuǎn)換時(shí)間造成的通道之間電流失匹，當(dāng)控制器對(duì)其中一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)整操作時(shí)，同時(shí)還利用不同的采樣時(shí)間控制其余的通道。

　　為了在白天改變輸出光通量，調(diào)整照明系統(tǒng)的總體亮度，該平臺(tái)還在LED整流電路內(nèi)增加調(diào)光功能。

　　為了全面地分析采用反向降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的數(shù)字電流控制器，圖4對(duì)能效與電流負(fù)載進(jìn)行了對(duì)比分析。在全負(fù)載時(shí)，四條通道可實(shí)現(xiàn) 97%的總能效，這可滿足主要的節(jié)能要求。

圖4：能效曲線

　　最后，過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和LED短路保護(hù)（有維修人員檢修的應(yīng)用情景）進(jìn)一步完善了這個(gè)街道照明平臺(tái)的性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　該平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)包括：可以輕松實(shí)現(xiàn)1到16路輸出通道，用軟件和靈活的數(shù)字控制器控制的1W、3W或大功率LED的電源模塊，為可調(diào)光的多燈串架構(gòu)的高能效街道照明系統(tǒng)提供最佳的解決方案。