高性能大功率LED路燈驅動(dòng)解決方案：模塊化結構

3 、DC- DC LED驅動(dòng)器的拓撲

1)當Vin >> Vo時(shí)采用降壓， 輸出電容器為可選件， 見(jiàn)圖2(a)。
2)當VinVo時(shí)采用升壓， 輸出電容器為必須件， 見(jiàn)圖2(b)
3)當Vin和Vo重疊時(shí)采用降升壓， 有許多拓撲， 見(jiàn)圖2(c)。

圖2 非隔離轉換器的三種主要類(lèi)型

DC- DC 轉換器是LED 電源最后一級的自然選擇。LED需要直流電流， 因此電壓輸出也為直流。由于前一級已考慮了整流、PFC 和隔離的因素， 采用中間直流總線(xiàn)可以使設計師使用節約經(jīng)濟的非隔離DC- DC 轉換器。非隔離轉換器分為三種主要類(lèi)型： 步壓或降壓、步升或升壓以及步升/步降或降升壓。圖2中描繪了這三種類(lèi)型。在這些拓撲中， 降壓穩壓器目前最適合驅動(dòng)LED， 原因如下： 首先， 降壓電感在輸出端， 這意味著(zhù)LED電流和電感電流的平均值相同; 而且， 輸出電流始終被電感明確控制；其次， 步降電壓是功率轉換的最高效形式， 這使降壓器在所有開(kāi)關(guān)轉換器中功率效率最高；第三， 降壓器是最經(jīng)濟的開(kāi)關(guān)轉換器， 因為最大的電流在輸出端， 最高的電壓在輸入端。由此， 在由功率MOSFET和二極管構成的開(kāi)關(guān)轉化器上， 這些功率轉換器件所獲得電流和電壓就最小。這就意味著(zhù)可以廣泛地選擇電源開(kāi)關(guān)、無(wú)源元件和控制IC， 從而構成最經(jīng)濟的解決方案。

4、 排列LED和選取驅動(dòng)器IC

針對該示例中的設計， 將使用100 個(gè)1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線(xiàn)是一個(gè)明智之舉， 因為有現成且輸出功率選擇范圍廣泛的AC - DC 電源可供選用。一個(gè)48 V 的降壓LED 驅動(dòng)器可用來(lái)驅動(dòng)10個(gè)串聯(lián)的LED。

10個(gè)這樣的驅動(dòng)器可以構成明亮的燈， 可以用來(lái)運行所有的100個(gè)LED，而無(wú)需使用危險的電壓。半導體制造商按照光通量、相關(guān)色溫CCT和正向電壓將他們的白光LED進(jìn)行分類(lèi)。對于保持一致的顏色和光輸出來(lái)說(shuō)， 按色溫和光通量分類(lèi)很重要， 但對LED 分類(lèi)的規格越高， 成本也就越高。當使用各種檔次的LED 時(shí)， LED 燈的設計必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個(gè)LED 驅動(dòng)器將被設計為350 mA 電流源， 可以從45 V ~ 51V的輸入電壓產(chǎn)生30 V ~ 40 V 的輸出電壓范圍， 從而使每個(gè)LED的VF的可能變化范圍在3. 0 V ~ 4. 0 V。

LM3402HV 是一個(gè)具有內部功率N - MOSFET 的降壓型穩壓器， 運行電壓高達75 V， 由于其最低過(guò)熱電流限制為530mA， 因此也非常適合350 mA輸出電流， 如有必要足以驅動(dòng)紋波電流范圍較寬的LED。圖3顯示了系統架構， 圖4顯示了每個(gè)LM3402HV 的完整電路。

5 、采用降壓穩壓器的設計難題

當使用降壓穩壓器驅動(dòng)LED時(shí),最主要的設計難題是如何處理當輸入電壓最低時(shí)輸出電壓卻最高的情況。和許多開(kāi)關(guān)穩壓器相似，LM3402HV 無(wú)法無(wú)限地打開(kāi)它的內部功率N - MOSFET。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中， 穩壓器必須關(guān)閉300 ns(最短關(guān)斷時(shí)間)，以便刷新自舉電容器，該電容器是驅動(dòng)內部功率FET的電路的一部分。最短關(guān)斷時(shí)間是固定的，由于300ns占據開(kāi)關(guān)周期的比例會(huì )越來(lái)越大，因此可以獲得的最大占空比會(huì )隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高而下降。以下這個(gè)示例，將基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 計算可能的最高開(kāi)關(guān)頻率fSW-MAX。下面的等式可用來(lái)計算fSW-MAX。

LM3402HV 的典型開(kāi)關(guān)頻率范圍為50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通?？梢栽诠β试锢沓叽?如電感器，當開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)會(huì )越小)與功率效率(當開(kāi)關(guān)頻率越低時(shí)會(huì )越高)之間取得較好的平衡。

在本示例中， 無(wú)法使用500 kH z， 因此將使用370 kH z。這將確保LED驅動(dòng)器的元件盡可能最小， 同時(shí)在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅動(dòng)所有10個(gè)LED。

6 、避免串并聯(lián)陷阱

許多工程師會(huì )考慮由一個(gè)電流源驅動(dòng)的串并聯(lián)陣列， 如圖5所示。對于本示例而言， 電路將成為以相同的30 V ~ 40 V 輸出電壓輸出3. 5 A 的單個(gè)電流源。

這個(gè)方案實(shí)際上并不實(shí)用。首先，即使如圖5中所示那樣交叉連接，不同LED 的VF之間存在自然差異,這意味著(zhù)來(lái)自驅動(dòng)器的3.5 A 將永遠無(wú)法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴格地按照VF對LED進(jìn)行分類(lèi)，以此來(lái)改善電流不匹配，但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 度(進(jìn)行分類(lèi)的溫度)時(shí)有效。一旦晶粒溫度上升，VF開(kāi)始下降。而且如同VF本身一樣，不同LED的電壓隨溫度變化的情況也不相同。在25度 時(shí)電流完美匹配的陣列在達到熱穩態(tài)時(shí)，將再次變得不平衡。更為糟糕的是， LED電流之間存在正反饋回路，正向電壓下降， 晶粒溫度會(huì )上升。

那些VF下降較多的LED會(huì )抽取更多電流，導致其晶粒更熱，從而導致VF進(jìn)一步下降。

路燈設計師不采用串并聯(lián)方法的第二個(gè)原因是LED發(fā)生故障時(shí)系統可靠性會(huì )變得很差。當LED 發(fā)生故障變?yōu)殚_(kāi)路時(shí)，圖6中所示的電流源將繼續輸出全部電流，會(huì )使增加的電流經(jīng)過(guò)其余路徑。LED 發(fā)生故障時(shí)也可能變?yōu)槎搪?，這會(huì )導致陣列的電壓大幅下降,造成不平衡。電流的任何不平衡會(huì )導致陣列中的其他LED過(guò)熱，短時(shí)間內會(huì )減少光輸出，長(cháng)時(shí)間會(huì )降低流明維持率，這會(huì )導致燈過(guò)早變暗或報廢。因此，為了獲得可靠的LED 光源，每個(gè)LED串應該有它自己專(zhuān)用的電流源(或電流庫)。