利用SIMPLE驅動(dòng)多變壓器來(lái)驅動(dòng)高功率LED照明

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用中，其發(fā)展正轉向使用 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(jià)值定位，而這兩個(gè)因素也證明了這種轉換的合理性。在此類(lèi)高功率照明應用中，人們考慮使用各種各樣的方法來(lái)驅動(dòng)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成本驅動(dòng)多個(gè) LED 串而著(zhù)稱(chēng)。

要想充分地了解這種拓撲的優(yōu)點(diǎn)，我們就必須首先研究現在考慮使用或者已經(jīng)在低功率 LED 應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)能夠將電源電壓轉換為 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)調節電流。這是一種低成本的方法。但是，當今的高亮度 LED 可消耗超過(guò) 350mA 的電流，因此這種方法的損耗極大。它的效率較低，而且電流調節效果較差，而這又會(huì )使串與串之間的光線(xiàn)差異極為明顯。

要改進(jìn)這種方法，需用線(xiàn)性穩壓器取代電阻器，從而改善所有串的光線(xiàn)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(xiàn)性穩壓器用作固定熱源，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(cháng)長(cháng)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。它將照明設備或附件與安全機構許可過(guò)程綁定，并極大地降低了將相同電氣設計運用到其他應用中的靈活性。

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)照明設備的光線(xiàn)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雜性。

高功率 LED 照明應用中最為常用的方法是，使用具有開(kāi)關(guān)穩壓器電流調節的多串架構。這樣，一個(gè)主電源就將 AC 電源轉換為一個(gè) DC 總線(xiàn)電壓，其一般在 SELV 電平以下。然后，該總線(xiàn)為并聯(lián) LED 串供電，其每一個(gè)串都擁有一個(gè)降壓轉換器（最為常見(jiàn)）或升壓轉換器。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換器，因為在成本和組件數目方面它都與升壓轉換器非常類(lèi)似。

例如，圖 1 顯示的是低成本簡(jiǎn)易降壓穩壓器電路。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)能夠實(shí)現同步降壓運行的 PWM 控制器。

圖 1 簡(jiǎn)單的降壓穩壓器

圖 2 顯示的是一個(gè)利用降壓穩壓器進(jìn)行電流調節的高功率、多串照明應用的各個(gè)子系統模塊。




圖 2 使用降壓穩壓器的典型高功率LED照明系統

AC 電源輸入經(jīng)過(guò)整流，供給一個(gè)功率因數校正 (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 轉換器提供輸入。之后，該 DC/DC 轉換器輸出被用于產(chǎn)生一個(gè)低壓總線(xiàn)（一般為 12V 或 24V 范圍），從而向經(jīng)過(guò)降壓調節的 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(gè)或更多串的高功率應用來(lái)說(shuō)，組件數量和成本都會(huì )有所增加。就電子組件廠(chǎng)商和供應鏈來(lái)說(shuō)，可能會(huì )有可觀(guān)的銷(xiāo)售。然而，對于照明設備廠(chǎng)商及其用戶(hù)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(cháng)期穩定發(fā)展需要的是低成本驅動(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) 驅動(dòng)器。它是一種高性?xún)r(jià)比的多 LED 串驅動(dòng)方法。除 PFC 外，它是一種兩級方法，包括一個(gè)反向恒定電流降壓穩壓器和一個(gè)下游 DC/DC 變壓器電路。它極為高效，具有優(yōu)異的串電流調節功能，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行情況之前，讓我們首先對那些使用 SIMPLE 驅動(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，這是一種電隔離設計，其二次側輸出電壓可設計在 SELV 電平以下。當輸出電壓保持在 SELV 電平以下時(shí)，其就消除了讓照明設備與電源結合的要求，并且互連獲得了安全機構的許可。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(mǎn)足許多其他照明應用的要求。電源仍然要求安全許可，正如本文中討論的所有離線(xiàn)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，這種隔離設計則更加理想，因為沒(méi)有了對 LED 接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個(gè)顯著(zhù)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定的隔離反饋器件。最后，我們來(lái)看這種二次側的簡(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(lèi)的控件。

談及運行，SIMPLE 驅動(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行，并且隨著(zhù)串數量的增加其性?xún)r(jià)比也會(huì )更高。




圖 3 SIMPLE驅動(dòng)多變壓器