模塊化結(jié)構(gòu)的高性能大功率LED驅(qū)動解決方案
0 引言 手電筒、MR - 16燈泡的升級換代、應急燈以及幾乎任何低功率白光照明應用都已經(jīng)在采用LED技術(shù)。 接下來路燈可能是LED 技術(shù)大規(guī)模應用的下一個領(lǐng)域。與手電筒和低功率應用實例相比， LED路燈應用也意味著更大的挑戰(zhàn)。 1 設計要求 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。“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<<Vo時采用升壓， 輸出電容器為必需件， 見圖2（ b） ; ?。?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。[!--empirenews.page--] 5 采用降壓穩(wěn)壓器的設計難題 當使用降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時,最主要的設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珉姼衅鳎旈_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。 這個方案實際上并不實用。首先，即使如圖5中所示那樣交叉連接，不同LED 的VF之間存在自然差異,這意味著來自驅(qū)動器的3. 5 A 將永遠無法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴格地按照VF對LED進行分類，以此來改善電流不匹配，但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 度（進行分類的溫度）時有效。一旦晶粒溫度上升，VF開始下降。而且如同VF本身一樣，不同LED的電壓隨溫度變化的情況也不相同。在25度 時電流完美匹配的陣列在達到熱穩(wěn)態(tài)時，將再次變得不平衡。更為糟糕的是， LED電流之間存在正反饋回路，正向電壓下降， 晶粒溫度會上升。 那些VF下降較多的LED會抽取更多電流，導致其晶粒更熱，從而導致VF進一步下降。 路燈設計師不采用串并聯(lián)方法的第二個原因是LED發(fā)生故障時系統(tǒng)可靠性會變得很差。當LED 發(fā)生故障變?yōu)殚_路時，圖6中所示的電流源將繼續(xù)輸出全部電流，會使增加的電流經(jīng)過其余路徑。LED 發(fā)生故障時也可能變?yōu)槎搪?，這會導致陣列的電壓大幅下降,造成不平衡。電流的任何不平衡會導致陣列中的其他LED過熱，短時間內(nèi)會減少光輸出，長時間會降低流明維持率，這會導致燈過早變暗或報廢。因此，為了獲得可靠的LED 光源，每個LED串應該有它自己專用的電流源（或電流庫）。 7 小結(jié) 在許多消費類照明領(lǐng)域， 白熾燈泡、熒光燈管等現(xiàn)有技術(shù)的成本非常低， 以致于LED 照明的許多優(yōu)點都無法彌補其初始購買價格較高這一缺憾。路燈照明的情況則明顯不同。因為LED 路燈照明具有較長的壽命， 高可控性， 非常符合政府的需要， 而且也便于政府評估LED路燈的擁有成本與初始購買價格。由于配備了良好的散熱設備和強大的驅(qū)動電路， 這是LED 路燈方案的價值所在。筆者提出的驅(qū)動器解決方案， 很好地達到了較高的初始成本與延長使用壽命之間的平衡。每個路燈可以控制它的光輸出、響應并報告故障， 以及與相鄰路燈通信， 從而為社區(qū)提供高效、可靠的服務。
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