驅(qū)動高功率LED照明應(yīng)用的一種新方法

在諸如路燈、高棚燈體育場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。這是因為其更高能效和更低維護頻率的價值定位，而這兩個因素也證明了這種轉(zhuǎn)換的合理性。在此類高功率照明應(yīng)用中，人們考慮使用各種各樣的方法來驅(qū)動這些照明燈。本文中，我們將討論一種新的拓撲，它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅(qū)動多個 LED 串而著稱。

要想充分地了解這種拓撲的優(yōu)點，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。一種簡單的方法是，使用一個能夠?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 串在這個電源下工作，并在每個串中使用電阻器來調(diào)節(jié)電流。這是一種低成本的方法。但是，當今的高亮度 LED 可消耗超過 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，而這又會使串與串之間的光線差異極為明顯。

要改進這種方法，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。但是這樣做僅有這一個好處，而在效率或功耗方面并沒有明顯的改善。降低功耗對于最大化 LED 使用壽命來說非常重要。這兩種方法中，無論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源，都會極大地縮短 LED 的使用壽命。

另一種同樣非常簡單的方法是制作一個長長的單一串聯(lián)串，使用一個能夠產(chǎn)生高壓 DC 恒定電流源的單電源。這種方法的高壓工作將其置于 60VDC 或 42V RMS 安全超低壓 (SELV) 電平以上。它將照明設(shè)備或附件與安全機構(gòu)許可過程綁定，并極大地降低了將相同電氣設(shè)計運用到其他應(yīng)用中的靈活性。

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

高功率 LED 照明應(yīng)用中最為常用的方法是，使用具有開關(guān)穩(wěn)壓器電流調(diào)節(jié)的多串架構(gòu)。這樣，一個主電源就將 AC 電源轉(zhuǎn)換為一個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，其每一個串都擁有一個降壓轉(zhuǎn)換器（最為常見）或升壓轉(zhuǎn)換器。為了簡單起見，我們將會把我們的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，因為在成本和組件數(shù)目方面它都與升壓轉(zhuǎn)換器非常類似。
例如，圖 1 顯示的是低成本簡易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個 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，則您可以用一個 MOSFET 代替二極管，并使用一個能夠?qū)崿F(xiàn)同步降壓運行的 PWM 控制器。

圖 1 簡單的降壓穩(wěn)壓器

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

點擊看原圖

圖 2 使用降壓穩(wěn)壓器的典型高功率LED照明系統(tǒng)

AC 電源輸入經(jīng)過整流，供給一個功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓電路，其 PFC 會產(chǎn)生一個 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)生一個低壓總線（一般為12V或24V范圍），從而向經(jīng)過降壓調(diào)節(jié)的 LED 串供電。

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

圖 3 顯示的是一個串聯(lián)輸入多并聯(lián) LED (SIMPLE)驅(qū)動器。它是一種高性價比的多LED串驅(qū)動方法。除PFC外，它是一種兩級方法，包括一個反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個下游 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）還是一個低成本的方法。它本身還可以具有為每個串加裝的單無源作用硅芯片控制的整流器 (SCR) 消弧電路冗余。如果一個 LED 或串開啟，它不會釋放其余串。

在我們深入研究其運行情況之前，讓我們首先對那些使用 SIMPLE 驅(qū)動多變壓器方法時突出的問題進行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電隔離設(shè)計，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計在 SELV 電平以下。當輸出電壓保持在 SELV 電平以下時，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構(gòu)的許可。讓輸出保持在這些電平以下，增加了其本身的靈活性，從而使各種燈具可以滿足許多其他照明應(yīng)用的要求。電源仍然要求安全許可，正如本文中討論的所有離線解決方案一樣，但是燈具

卻不需要。

另外，從散熱管理的角度來看，這種隔離設(shè)計則更加理想，因為沒有了對LED接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個顯著的特點是，它不要求輸出端反饋。這就去除了光電或其他安全規(guī)定的隔離反饋器件。最后，我們來看這種二次側(cè)的簡易性。它只有很少的無源組件，并且沒有偏置電源、有源組件或任何種類的控件。

談及運行，SIMPLE驅(qū)動器擁有優(yōu)于 1% 的極好的串電流匹配。它具有可獲得高效率的諧振運行，并且隨著串數(shù)量的增加其性價比也會更高。

圖 3 SIMPLE驅(qū)動多變壓器

概述

PFC電路的輸出為反向降壓電路的輸入。反向降壓經(jīng)過配置，產(chǎn)生一個恒定電流輸出。這種電流下，系統(tǒng)閉環(huán)位于附近。它產(chǎn)生的電流輸出向下游供給DC/DC變壓器電路，而該電路由一個半橋接控制器、兩個MOSFET、電容C1和電容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服務(wù)于許多功能。它們可用于為半橋接建立一個分壓器，同時它們還是諧振電路的組成組件，也是 DC 阻斷電容，這有助于防止變壓器飽和。

諧振運行允許 MOSFET 開關(guān)以零電壓開關(guān) (ZVS) 進行開關(guān)運行。這就降低了開關(guān)損耗，并強制輸出二極管至零電流開關(guān) (ZCS)，從而有助于效率最大化。

現(xiàn)已轉(zhuǎn)換為 AC 電流的 DC 電流通過所有串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧振?？纱?lián)放置的變壓器一次側(cè)數(shù)目十分靈活，因為可以選擇繞組比來支持許多變壓器或 LED 串。計算匝數(shù)比需要考慮的是串數(shù)，這是由于其規(guī)定了變壓器的數(shù)目以及每個串的正向電壓。

設(shè)計考慮因素

要獲得功率轉(zhuǎn)換的最高可達效率，目標就是盡可能地處理最少的功率。要達到這個目的，我們需要盡可能地接近輸入電壓來工作。由于大多數(shù)高功率照明應(yīng)用都支持有源 PFC 的使用，為了簡單起見，我們將只把它看作是功能模塊，并給其輸出分配一些典型值。

由于大多數(shù)有源 PFC 電路都起到一個升壓轉(zhuǎn)換器的作用，因此PFC輸出電壓的設(shè)定必須要高于最高AC線壓的峰值。85–265VAC一般輸入范圍時，其為大約375V。增加一些動態(tài)范圍上限，以獲得裕度和容差，這時400V便為一個典型的設(shè)定值。要確保下游降壓擁有 PFC 輸出變化的較多動態(tài)范圍上限，就需要增加稍多的裕度，以適應(yīng)約 40V 的紋波。這就使我們的反向降壓最小輸入運行點為大約 360V。

為保證降壓輸出具有一定的順從電壓，以讓其能夠正常地工作，這就需要也給它一定的動態(tài)范圍上限，并將其輸出范圍限定在 280V。

既然我們都了解我們的各個邊界，那么就讓我們來看看如何通過降壓和變壓器匝比來計算恒定電流值的一個設(shè)計實例。

在本例中，我們使用了兩個變壓器來驅(qū)動四個 LED 串，其電流為 1A。每個串都擁有十只高功率 LED。

假設(shè)：LED 正向電壓 Vf = 3.5V，且一個串電壓=35V

由于我們將 DC 降壓的輸出工作點設(shè)定在 280V，因此它現(xiàn)在作為 DC/DC 變壓器電路的輸入。這就意味著，施加于串聯(lián)一次側(cè)的電壓將為電容分壓器（由 C1 和 C2 組成）電壓的 1/2，從而在串聯(lián)一次側(cè)布局上獲得 140V 的電壓。

現(xiàn)在，匝數(shù)比的計算就變得十分容易了，如方程式 1 所示：
每個變壓器的一次側(cè)電壓 (VP) =橋接電壓/變壓器數(shù)=140V/2=70V

匝數(shù)比（方程式 1）

其中：
NP = 一次側(cè)匝數(shù)
NS =二次側(cè)匝數(shù)
VS =二次側(cè)或 LED 串電壓
VP =每個一次繞組兩端的電壓

要計算反向降壓的電流輸出設(shè)定值，其中每個變壓器驅(qū)動兩個 LED 串，首先必須認識到交替半周期中每個變壓器中只有一個串在導(dǎo)電。這就是說，在睡眠期間維持 LED 導(dǎo)電而必須向?qū)щ姶峁┑碾娏鞅仨毷?LED 電流的兩倍。理想 LED 電流為 1A 的這種情況下，每半個周期向 LED 和濾波器電容提供的電流為 2A。

要計算降壓穩(wěn)壓器，設(shè)定電流值 (ISet) 如方程式 2 所示：

（方程式 2）

結(jié)論
正如您所見，確定變壓器要求是一件非常簡單的事情，同時使得 SIMPLE 驅(qū)動成為能夠滿足許多不同照明應(yīng)用的一種極為靈活的解決方案。如果您想要讓 SIMPLE 驅(qū)動成為您眾多 LED 照明應(yīng)用模塊方法的一部分，您需要考慮上游功率級，例如：半橋中的功率處理組件、反向降壓和 PFC 等，因為必須調(diào)整它們的大小來應(yīng)對您希望驅(qū)動器滿足的最高功率級。