高功率LED照明驅動(dòng)應用的新方法

　　摘要：傳統高功率LED驅動(dòng)電源大多采用直流并聯(lián)LED的方式工作，成本低，容易實(shí)現，但目前高亮度LED消耗的電流可達350mA甚至更高，因此傳統方法的損耗極大，效率低;本文提出了一種串聯(lián)輸入多并聯(lián)驅動(dòng)電源的實(shí)現方法，具有高性?xún)r(jià)比，輸出電流大，失真度低，且具有優(yōu)異的串電流調節功能等優(yōu)點(diǎn)。

　　引言

　　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^[1]。

　　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^[1-9]。本文中，我們將討論一種新的串聯(lián)輸入多并聯(lián)驅動(dòng)方式的拓撲結構，它具有更高的效率和更低的系統成本，并且可以驅動(dòng)多個(gè)LED。

　　工作原理

　　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^[1]。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[2]。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^[3]。這種方法的高壓工作將其置于60VDC或42VRMS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^[4]。

　　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^[5]。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^[6]。

　　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。

　　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^[7]。

　　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。