概述

LED 背光照明與通用照明使用不同類型的LED，許多通用照明應(yīng)用僅使用不超過 10 個大功率 LED(如 1W LED)，而背光照明則需使用幾百甚至數(shù)千個小型LED，這些LED功率在 50 mW至 200 mW間。這意味著目前為止所用的 LED 驅(qū)動器類型有很大的差別，其系統(tǒng)架構(gòu)同樣也差異巨大。但隨著路燈照明(以及停車場照明、倉庫照明等)的出現(xiàn)，這兩個應(yīng)用領(lǐng)域有了相似點，這是由于路燈照明中，高功率大面積照明(HPWA)所需的總輸出功率大大高于燈泡或熒光燈管的改良產(chǎn)品，因此需要使用大量 LED。背光照明 LED 驅(qū)動器可為每串 LED 提供線性電流源，并通過使用可動態(tài)調(diào)整電壓輸出的開關(guān)電源來提高功率效率，從而解決了如何控制串并聯(lián)陣列中大量 LED 的難題。直到現(xiàn)在，此類系統(tǒng)每通道的電流仍被限制在100 mA左右。美國國家半導(dǎo)體依循該設(shè)計理念，但同時將每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性戶外照明(也稱為路燈照明)所需的控制和保護功能。

簡介

考慮到經(jīng)過巧妙設(shè)計的 LED 路燈所具有的長期購置成本優(yōu)勢，政府機構(gòu)比個人消費者更容易選擇LED裝置，因此越來越多的城鎮(zhèn)正在考慮并安裝 LED 路燈。用于公共道路的路燈照明受眾多標準的制約(特別在調(diào)整最低和最高光線輸出及光束模式上)。這些規(guī)定因地而異，但它們都要求更高的光通量，因此，相對于一些常見的LED設(shè)計，如燈泡(總計300～600 流明)或 改良的T8 熒光燈管(1000～4000 流明，視長度而定)需要更高的功率。一盞路燈通常可要求10,000 流明或更高的最低光線輸出，相對地，以 20 ～ 40 mA 正向電流工作的小型 LED 的每瓦流明數(shù)表現(xiàn)更好，但它有兩個明顯缺點：第一，需要幾千個小型的 LED 才能滿足所需的總流明數(shù)，因數(shù)量龐大而帶來了可靠性問題;第二，大量小型 LED 有利于光線在大的表面上均勻地傳播，但路燈照明的控制光束要求需要透鏡在與點光源配合工作時具有最高的效率。目前市面上的單裸片 LED 的功率高達 10W，這從光學(xué)角度上看的確很好，但要將如此多傳導(dǎo)所產(chǎn)生的熱量從很小的面積散發(fā)出去，絕非輕而易舉。該熱量會導(dǎo)致更難獲得預(yù)期的很高的每瓦流明數(shù)。目前 LED 路燈通常會使用 50～200 個驅(qū)動電流為 350 mA 的 LED，因為該數(shù)目意味著發(fā)光效率與所需 LED 總數(shù)間的最佳平衡。

背光照明技術(shù)可以解決如何以高效、簡單且經(jīng)濟的方式來驅(qū)動眾多 1W LED的問題。但是，要利用背光照明技術(shù)，實現(xiàn)“將功率提高”至本系列第 I 部分中 HPWA 應(yīng)用所需的等級，則需權(quán)衡系統(tǒng)需求和現(xiàn)有解決方案的利弊。

使用單個串聯(lián)串

LED 光線輸出主要與正向電流成正比。為了確保光線輸出的LED在給定數(shù)量 內(nèi)，最簡單的解決方案是將LED 全部串聯(lián)。這種單個串聯(lián)串解決方案存在的主要問題是，只要其中一個 LED 故障開路，就會讓整個燈熄滅。現(xiàn)在 LED 已經(jīng)變得更堅固耐用，許多 LED 具有反并聯(lián)奇納二極管或閘流晶體管，可將潛在的開路故障轉(zhuǎn)換成類似于短路的情況。對于沒有內(nèi)置 保護功能的LED，現(xiàn)在很多電子器件制造商可以提供與每個 LED 反并聯(lián)的分離式硅控整流器 (SCR) 鉗位。既然開路故障可以強制轉(zhuǎn)換成類似于短路的故障，因此不必擔(dān)心單個器件會導(dǎo)致整個燈出現(xiàn)問題，取而代之的，新的關(guān)注點在于判斷多少個 LED 發(fā)生故障會導(dǎo)致整個燈泡的維修。圖 1示意了使用 LM3409/09HV 降壓 LED 驅(qū)動器的高可靠性單串系統(tǒng)。

圖1 具有單串LED的高可靠性降壓驅(qū)動器

對單串解決方案而言，更為重要的是總驅(qū)動電壓 VO值。氮化銦鎵技術(shù)的改進之處是使 1W LED 的正向電壓接近于 3.0V，但經(jīng)過正向電壓盒的分配后，每個器件3.3V的 VF 是合理的預(yù)估值。將 50 個這樣的 LED 串聯(lián)在一起，總驅(qū)動電壓 為VO = n × VF 即 165V。可接受的最大 VO值主要取決于 IEC、UL 或 VDE 等安全標準。例如，為了滿足安全性超低電壓IEC 規(guī)格，系統(tǒng)必須具有變壓器隔離的輸出，且次級系統(tǒng)上的最大直流電壓值必須小于 120V。所有可用的燈都會享有 SELV 認證所帶來的巨大好處，因此，LED 驅(qū)動設(shè)計師通常會因較高的 VO 而放棄單串解決方案，并忽視可確保每個 LED 的驅(qū)動電流都相同的好處。

串并聯(lián)

當需要具有限定次級電壓的隔離式系統(tǒng)時，唯一的選擇是采用多個 LED串。雖然該系統(tǒng)試圖采用一個大的電流源(如圖 2 中所示)或增加串聯(lián)功率電阻器(如圖 3 中所示)，但這些都不是適用于路燈的解決方案，因為它們無法確保不同串之間的驅(qū)動電流相等。圖 4 所示的交叉連接有時被視為平衡電流，及/或在發(fā)生開路故障時避免一整串燈變暗的有效方式，但這也僅僅是使每行 LED 的電壓保持為鉗位值。經(jīng)過進一步觀察發(fā)現(xiàn)，交叉連接仍然無法使電流相符，也無法避免任意的 LED開路或短路時會出現(xiàn)的進一步不平衡的狀況。

圖2 具有一個大的電流源的串并聯(lián)陣列

圖3 具有電阻器整流功能的串并聯(lián)陣列[!--empirenews.page--]

圖4 具有交叉連接式LED串并聯(lián)陣列

不平衡的電流會產(chǎn)生不平衡的熱量，從而導(dǎo)致消耗過多電流的LED 的發(fā)光功效立即降低，并使其快速退化。LED 路燈必須產(chǎn)生光束模式為 Y 的 X 個流明數(shù)，且必須能正確工作數(shù)年之久。確保系統(tǒng)不只在第 1 天更能在隨后的五年或 50,000 小時后仍能產(chǎn)生正確數(shù)量的光線的唯一方法是令每個LED串都有一個控制電流源。

多個降壓穩(wěn)壓器

在開關(guān)穩(wěn)壓器當中，降壓穩(wěn)壓器是有口皆碑的，因為它天生就適合用作電流源。降壓穩(wěn)壓器也是最簡單、最便宜且最省電的傳統(tǒng)硬開關(guān)式拓樸結(jié)構(gòu)，且很多不同的廠商都提供了從控制 IC 到完整模塊的不同功率等級和配置的降壓穩(wěn)壓器 LED 驅(qū)動器。具有多串 LED 的大功率 LED 驅(qū)動系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案，是為每串LED安裝降壓穩(wěn)壓器(如圖 5 所示)。由于降壓穩(wěn)壓器只能降低輸出電壓，因此只要使降壓穩(wěn)壓器的輸入電壓低于所需的閾值，即可確保在次級上獲得最大的直流電壓。由于早前在電信領(lǐng)域的普及以及常見的 60V DC的次級限制， 48V DC 是目前流行的輸入電壓值。這同時也為每串 12 個串聯(lián)的氮化銦鎵 (InGaN)LED，提供了介于最小輸入電壓和最大輸出電壓(LED 串電壓)之間合適的閾值。

圖5 適用于每個串的專用降壓穩(wěn)壓器。其所有VO

為每串 LED 安裝降壓穩(wěn)壓器的好處是能保證各串之間的電流相符，這對于要求較長使用壽命的高質(zhì)量系統(tǒng)至關(guān)重要。每個降壓穩(wěn)壓器均可通過 PWM 或線性調(diào)整 LED 電流來單獨調(diào)節(jié)光暗。部分降壓 LED 驅(qū)動器具有故障報告功能，所有降壓穩(wěn)壓器均可設(shè)計成在一定的輸出電壓范圍下提供較高的功率效率。如果發(fā)生故障，每個降壓穩(wěn)壓器均可向系統(tǒng)微控制器報告，在保持其他降壓穩(wěn)壓器繼續(xù)工作的情況下，可以關(guān)閉一個或多個降壓穩(wěn)壓器。

多個降壓穩(wěn)壓器方案的缺點

為每串 LED 安裝一個降壓穩(wěn)壓器的第一大缺點是成本，盡管在路燈照明及高可靠性 HPWA 中，成本并非在消費產(chǎn)品中那樣重要。每個降壓穩(wěn)壓器需要一個功率電感器、一個輸入電容器(在大多數(shù)情況下還需要一個肖特基整流器和一個用于感測電流的功率電阻器)，以及用于不同模擬功能的各種小電阻器和電容器。多個降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)的第二大缺點(開關(guān)電源設(shè)計師會更為關(guān)注，其它人可能會忽視)，是當多個大功率開關(guān)穩(wěn)壓器全部從相同輸入電源軌供電時會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。所有開關(guān)穩(wěn)壓器在開關(guān)頻率諧波上均會產(chǎn)生 EMI 和基本開關(guān)頻率。當以相同電源為工作在幾乎相同頻率上的兩個或多個轉(zhuǎn)換器供電時，在輸入端通常會出現(xiàn)額外的 EMI(稱為拍頻)。在接近的兩個開關(guān)頻率的總頻率和差額頻率上，均會產(chǎn)生拍頻。降壓穩(wěn)壓器提供完美符合 LED驅(qū)動需求 的平穩(wěn)輸出電流，但它帶來大量非連續(xù)的輸入電流脈沖，使其比升壓穩(wěn)壓器更容易產(chǎn)生拍頻。如果使開關(guān)頻率保持同步，則可以消除干擾。但遺憾的是，大多數(shù)降壓 LED 驅(qū)動器都不是固定頻率的基于時鐘的系統(tǒng)。非同步的遲滯和固定開路時間/固定斷路時間 (COT) 控制更為常見，因為容易適應(yīng) LED 陣列的動態(tài)負載，同時也因為遲滯和 COT 控制可提供快速的轉(zhuǎn)換率以獲得最佳 的PWM 光暗調(diào)節(jié)性能。此解決方案需要非常周密的 PCB (印制板)布局，并要對每個降壓穩(wěn)壓器進行大量的輸入濾波。如圖 6 中所示，在許多情況下需要分立式輸入電感器，但即使不像消費產(chǎn)品那樣對空間和成本有嚴格的控制，這些電感器仍是不受歡迎的。

圖6 輸入電感器和周密的PCB布局有助于避免拍頻

結(jié)語

路燈與 HPWA 照明都不是首個面對是提高眾多 LED 的功率還是將其合理布局到單個串聯(lián)鏈中的僵局的應(yīng)用。從移動電話的小 LCD 屏開始，到 GPS、汽車信息娛樂裝置、便攜式計算機，再到現(xiàn)在的大屏幕 LCD 電視，背光照明 LED已被用于越來越大的屏幕中。雖然降壓穩(wěn)壓器統(tǒng)治著大功率 LED 驅(qū)動器市場，但升壓穩(wěn)壓器與多個線性穩(wěn)壓器的配合使用，才是背光照明系統(tǒng)的理想選擇。

本系列技術(shù)文章的第 II 部分，將探討如何拓展此類此前僅用于40～60 mA 驅(qū)動電流下的 LED 驅(qū)動系統(tǒng)的范圍與功率，以解決路燈與 HPWA 照明所面臨的主要問題。