如何更好地驅動(dòng)LED燈串

工程師們都很清楚，在機械和電氣系統中，以諧振或接近諧振運作時(shí)，功率和頻率之間存在至關(guān)重要的關(guān)系(圖1)。有時(shí)諧振是一件壞事，假如太多的能量進(jìn)入單模狀態(tài)，可能會(huì )破壞系統。但諧振也可以是好的。諧振通常用于調節頻率，通過(guò)保持足夠的功率來(lái)保持系統以諧振頻率振蕩(例如，機械和電氣時(shí)鐘)?？赡芎芏嗳瞬恢?，諧振可以用來(lái)調節功率，可以將功率調節到可變載荷的可變尺寸陣列。舉個(gè)例子，這可以應用于諸如的照明陣列，以實(shí)現固態(tài)照明(SSL)系統的成本效益和可靠性。

圖1. 該曲線(xiàn)圖描繪的是典型諧振(中心頻率30 kHz和帶寬20 kHz)的歸一化功率。注意，線(xiàn)路頻率無(wú)重疊。

LED應用特別有趣，因為LED在照明應用中的經(jīng)濟意義越來(lái)越大，并且也是由于常規DC驅動(dòng)器存在成本和可靠性問(wèn)題。LED是固有的低電壓DC設備，在某些工作點(diǎn)上，電流-電壓(I-V)曲線(xiàn)非常陡峭。雖然可以使用恒壓源來(lái)驅動(dòng)LED，但實(shí)際上大多數設計人員采用恒流DC驅動(dòng)器設計。為了更接近在典型配電水平(例如120/240 VAC)下工作，燈具通常配置許多LED燈串。這些LED必須緊密匹配，因為每個(gè)LED的光輸出與流過(guò)燈串的電流成比例。單個(gè)LED的故障(例如短路或接線(xiàn)故障)可能導致整個(gè)燈串的故障。

分布式電抗元件

使用諧振來(lái)控制LED陣列的功率，克服了AC LED 驅動(dòng)器的這些缺點(diǎn)。在最簡(jiǎn)單的情況下，諧振可用來(lái)控制單個(gè)負載的功率。Verdi Semiconductor公司有效利用了諧振，制作出了適合于 LED燈串的部件少、效率高的電流驅動(dòng)器。

但是，一個(gè)更強大的方法是將電抗器件分布在陣列之間。以這種方式，不僅可以控制照明元件的整體功率，而且在大型網(wǎng)絡(luò )中，也可以不需要添加半導體器件來(lái)單獨調節子網(wǎng)絡(luò )。分布式電抗元件以高效率和低成本實(shí)現強大的新型控制能力。通常，電抗元件可以是電容器或電感器。在千赫茲到兆赫茲頻率間(或甚至千兆赫茲的頻率，如果需要的話(huà))，適合的組件非常小且便宜，并且可以作為分立器件或片上器件來(lái)實(shí)現。具體來(lái)說(shuō)，我們假定電容器分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，并且使用較少數量的分立電感器，但是也可以制造出低成本的電感器的設計。

添加串聯(lián)和并聯(lián)的電抗元件(電容器和/或電感器)可以開(kāi)辟一種全新的功率控制方法。電抗元件可以形成一條諧振回路，其中主要耗散機制是LED的電阻負載。 同時(shí)，接近于無(wú)損的電抗可以代替耗能的電阻，這些電阻在最簡(jiǎn)單的直流電路中通常用作電流調節器。

單元與陣列

想象一下，一個(gè)照明網(wǎng)絡(luò )由一組照明單元組成，每個(gè)單元包含有一個(gè)或多個(gè)照明元件，例如一對陽(yáng)極連接陰極的LED，以及串聯(lián)和并聯(lián)電容的。拓撲結構有許多變化，但是圖2展示了一個(gè)基本的照明單元設計。任何數量的這種單元以及實(shí)際的混合拓撲的單元，可以以串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，形成由電抗串組成的諧振網(wǎng)絡(luò )。更概括地說(shuō)，我們將電抗串組成的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為“固態(tài)照明電抗串”(RSSL)。

圖2. 電路顯示兩個(gè)電抗串單元

例如，在圖3中，一個(gè)儲能電路由10個(gè)電抗串組成。假設所有的LED都是相同類(lèi)型的，并且所有的電容器具有相同的值C。每個(gè)單元的總電容為2C。燈串的總電容為C/5。諧振頻率為√(5LC)。一個(gè)單元的電抗是1/2ωC。只要X?R，其中R是LED的實(shí)際電阻，則電抗串則表現為純電抗，這相當于要求使用諧振電路阻尼不足，Q?1。

圖3. 反應電路由10個(gè)A型單元組成

可以使用電路仿真器，對特定諧振網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行詳細分析，但是也可以容易地進(jìn)行粗略地估計，大致選擇元件的數值。對于給定的工作頻率，電感和電容之間的關(guān)系是確定的。應選擇電容，使電抗足夠大，確保足夠高的Q諧振。流過(guò)每個(gè)單元的電流被LED與并聯(lián)的旁路電容器所分配，并受到串聯(lián)電容器的限流，后者的作用非常類(lèi)似于在直流電路中使用電阻來(lái)控制電流的情況。對電抗只需使用歐姆定律，就可以找到所需的值。注意，旁路電容器的作用是電流不流過(guò)LED時(shí)，局部存儲再循環(huán)電流。實(shí)際上，除了對通過(guò)整個(gè)燈串的電流進(jìn)行諧振控制之外，實(shí)際上還有對每個(gè)LED電流的局部諧振控制。

多通道和線(xiàn)路頻率抑制

盡管可以使用相同的電容值在單個(gè)頻率下來(lái)操作整個(gè)RSSL系統，但是不必這樣做。事實(shí)上，我們可以把雙線(xiàn)照明總線(xiàn)看成是支持頻譜，包含有非常多的可用通道。由于任何一個(gè)電抗串只對頻帶內作出響應，只要它們在頻帶之間具有足夠的空間來(lái)操作，則多個(gè)單獨的頻帶可以在相同的布線(xiàn)上操作。每個(gè)中心頻率還可以進(jìn)一步調制，作為傳感器和控制器之間的數據往來(lái)通道。

只要線(xiàn)路頻率與用于電抗串的諧振頻率分離開(kāi)來(lái)，對線(xiàn)路頻率的響應就可以忽略不計，即使沒(méi)有顯式的線(xiàn)路頻率濾波，也不會(huì )有線(xiàn)頻率閃爍現象。因此，驅動(dòng)器中不需要電解電容器。

RSSL系統本身具有電磁安靜性，又能抗噪音尖峰。超出狹窄通帶的任何能量都會(huì )迅速消失。單元格和單元燈串可以進(jìn)行熱插拔或切換，對網(wǎng)絡(luò )的其他部分無(wú)影響。利用這個(gè)屬性就可以讓許多照明器共享同一個(gè)高功率的驅動(dòng)器。例如，住宅或商業(yè)空間可以使用安裝在配電盤(pán)中的同一個(gè)驅動(dòng)器，通過(guò)雙線(xiàn)總線(xiàn)向許多燈具供電，燈具有LED和電容器，但沒(méi)有有源半導體元件，調光和切換可以分別進(jìn)行(參見(jiàn)圖4)。

圖4. 一個(gè)完整的RSSL網(wǎng)絡(luò )包括驅動(dòng)器、各種燈具和調光組、以及可編程的和本地調光器。

陣列規模越大，RSSL 可靠性越高

對直流驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，使用更多的LED通常被認為會(huì )帶來(lái)嚴重的可靠性及使用壽命問(wèn)題，特別是考慮到對單個(gè)組件(或連接)和驅動(dòng)器故障十分敏感。這是讓RSSL系統閃耀的另外一點(diǎn)。RSSL的故障分析表明，系統的總體可靠性及壽命實(shí)際上也會(huì )隨著(zhù)陣列尺寸的擴大而得到提升，這是因為，其余組件的調節，即使出現50%的組件故障，仍然可以接受的。

此外，大多數大功率LED在其額定電流的上端位置顯示出明顯的流明輸出下降，從而導致凈電瓦特與輻射瓦轉換效率時(shí)會(huì )損失一些。RSSL系統可以通過(guò)低成本的設計讓這些設備在遠低于其額定最大值的情況下，讓流明輸出下降不那么明顯。

另外，成本節約和可靠性提升可以通過(guò)包括多結芯片在內的COB架構來(lái)實(shí)現。不是在一個(gè)芯片上構建幾個(gè)大面積的器件，而是可以選擇器件面積、功率級別和冷卻策略，以實(shí)現最大的單器件效率，然后在一個(gè)芯片上放置盡可能多的這些器件，以實(shí)現所需的性能規格。以一個(gè)或多個(gè)諧振串來(lái)驅動(dòng)照明陣列，我們就可以獲得一個(gè)產(chǎn)品系列，可以任意裁剪到任何所需的流明輸出。

圖5. 上面的曲線(xiàn)是電流流過(guò)串行照明單元陣列時(shí)形成的波形曲線(xiàn)。下面的曲線(xiàn)是電流流過(guò)單元內的一對LED形成的電流波形。流明波形由下半部分曲線(xiàn)的絕對值來(lái)給定。注意，在每個(gè)半周的開(kāi)始部分都有一個(gè)很短的不發(fā)光區間。

使用諧振來(lái)控制電抗串中LED 的功率，是一種強大的新型LED驅動(dòng)方法，可以用于包括照明在內的任意陣列應用中。本文只觸及RSSL系統的特性和優(yōu)勢。諧振式驅動(dòng)提供了一系列豐富而強大的創(chuàng )新設計工具，可以進(jìn)一步使用，創(chuàng )造先進(jìn)的低成本、多功能照明系統。