驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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?yàn)槠涓吣苄Ш透途S護(hù)頻率的價(jià)值定位，而這兩個(gè)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(lái)驅(qū)動(dòng)這些照明燈。本文中，我們將討論一種新的拓?fù)?，它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 串而著稱。

要想充分地了解這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，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(jiǎn)單的方法是，使用一個(gè)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(gè)電源下工作，并在每個(gè)串中使用電阻器來(lái)調(diào)節(jié)電流。這是一種低成本的方法。但是，當(dāng)今的高亮度 LED 可消耗超過(guò) 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(huì)使串與串之間的光線差異極為明顯。

要改進(jìn)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(gè)好處，而在效率或功耗方面并沒(méi)有明顯的改善。降低功耗對(duì)于最大化 LED 使用壽命來(lái)說(shuō)非常重要。這兩種方法中，無(wú)論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源，都會(huì)極大地縮短 LED 的使用壽命。

另一種同樣非常簡(jiǎn)單的方法是制作一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的單一串聯(lián)串，使用一個(gè)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(jī)構(gòu)許可過(guò)程綁定，并極大地降低了將相同電氣設(shè)計(jì)運(yùn)用到其他應(yīng)用中的靈活性。

單串方法的另外一個(gè)考慮因素是可靠性。如果只有一個(gè) LED 開(kāi)啟，那么您就要釋放整個(gè)照明設(shè)備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個(gè) LED 開(kāi)啟，例如：加裝許多消弧電路 (crowbar) 或器件等，但是這會(huì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電流調(diào)節(jié)的多串架構(gòu)。這樣，一個(gè)主電源就將 AC 電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(gè)串都擁有一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器（最為常見(jiàn)）或升壓轉(zhuǎn)換器。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將會(huì)把我們的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樵诔杀竞徒M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(jiǎn)易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個(gè) 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(gè) MOSFET 代替二極管，并使用一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)同步降壓運(yùn)行的 PWM 控制器。

圖 1 簡(jiǎn)單的降壓穩(wěn)壓器

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

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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(guò)整流，供給一個(gè)功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓電路，其 PFC 會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 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(gè)低壓總線（一般為12V或24V范圍），從而向經(jīng)過(guò)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(duì)于那些具有 4 個(gè)或更多串的高功率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，組件數(shù)量和成本都會(huì)有所增加。就電子組件廠商和供應(yīng)鏈來(lái)說(shuō)，可能會(huì)有可觀的銷售。然而，對(duì)于照明設(shè)備廠商及其用戶來(lái)說(shuō)，高成本并不利于產(chǎn)品的廣泛使用。固態(tài)照明的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展需要的是低成本驅(qū)動(dòng)電路，它可以讓這個(gè)市場(chǎng)成型并順利發(fā)展。

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

在我們深入研究其運(yùn)行情況之前，讓我們首先對(duì)那些使用 SIMPLE 驅(qū)動(dòng)多變壓器方法時(shí)突出的問(wèn)題進(jìn)行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電隔離設(shè)計(jì)，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計(jì)在 SELV 電平以下。當(dāng)輸出電壓保持在 SELV 電平以下時(shí)，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(jī)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(lái)看，這種隔離設(shè)計(jì)則更加理想，因?yàn)闆](méi)有了對(duì)LED接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個(gè)顯著的特點(diǎn)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(lái)看這種二次側(cè)的簡(jiǎn)易性。它只有很少的無(wú)源組件，并且沒(méi)有偏置電源、有源組件或任何種類的控件。

談及運(yùn)行，SIMPLE驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，并且隨著串?dāng)?shù)量的增加其性價(jià)比也會(huì)更高。

圖 3 SIMPLE驅(qū)動(dòng)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(guò)配置，產(chǎn)生一個(gè)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(gè)半橋接控制器、兩個(gè)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(guò)半橋接MOSFET開(kāi)關(guān)，到達(dá)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(gè)分壓器，同時(shí)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(yùn)行允許 MOSFET 開(kāi)關(guān)以零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 進(jìn)行開(kāi)關(guān)運(yùn)行。這就降低了開(kāi)關(guān)損耗，并強(qiáng)制輸出二極管至零電流開(kāi)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(guò)所有串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧振。可串聯(lián)放置的變壓器一次側(cè)數(shù)目十分靈活，因?yàn)榭梢赃x擇繞組比來(lái)支持許多變壓器或 LED 串。計(jì)算匝數(shù)比需要考慮的是串?dāng)?shù)，這是由于其規(guī)定了變壓器的數(shù)目以及每個(gè)串的正向電壓。

設(shè)計(jì)考慮因素

要獲得功率轉(zhuǎn)換的最高可達(dá)效率，目標(biāo)就是盡可能地處理最少的功率。要達(dá)到這個(gè)目的，我們需要盡可能地接近輸入電壓來(lái)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(jiǎn)單起見(jiàn)，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(gè)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(shí)，其為大約375V。增加一些動(dòng)態(tài)范圍上限，以獲得裕度和容差，這時(shí)400V便為一個(gè)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(dòng)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(yùn)行點(diǎn)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(dòng)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(gè)邊界，那么就讓我們來(lái)看看如何通過(guò)降壓和變壓器匝比來(lái)計(jì)算恒定電流值的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

在本例中，我們使用了兩個(gè)變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)四個(gè) LED 串，其電流為 1A。每個(gè)串都擁有十只高功率 LED。

假設(shè)：LED 正向電壓 Vf = 3.5V，且一個(gè)串電壓=35V

由于我們將 DC 降壓的輸出工作點(diǎn)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(jì)算就變得十分容易了，如方程式 1 所示：
每個(gè)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(gè)一次繞組兩端的電壓

要計(jì)算反向降壓的電流輸出設(shè)定值，其中每個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LED 串，首先必須認(rèn)識(shí)到交替半周期中每個(gè)變壓器中只有一個(gè)串在導(dǎo)電。這就是說(shuō)，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(gè)周期向 LED 和濾波器電容提供的電流為 2A。

要計(jì)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(jiàn)，確定變壓器要求是一件非常簡(jiǎn)單的事情，同時(shí)使得 SIMPLE 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jí)，例如：半橋中的功率處理組件、反向降壓和 PFC 等，因?yàn)楸仨氄{(diào)整它們的大小來(lái)應(yīng)對(duì)您希望驅(qū)動(dòng)器滿足的最高功率級(jí)。