采用模塊化結構的高性能大功率LED驅動(dòng)解決方案

　　手電筒、MR - 16燈泡的升級換代、應急燈以及幾乎任何低功率白光照明應用都已經(jīng)在采用LED技術(shù)。

　　接下來(lái)路燈可能是LED 技術(shù)大規模應用的下一個(gè)領(lǐng)域。與手電筒和低功率應用實(shí)例相比， LED路燈應用也意味著(zhù)更大的挑戰。

　　1 設計要求

　　LED路燈照明不會(huì )一蹴而就， 因為尚有重大的技術(shù)難題需要攻克。除了個(gè)別情況（如太陽(yáng)能電池）， 路燈的輸入采用交流電源（通常被稱(chēng)作“離線(xiàn)” ） ， 大多是120 V或230 V 交流電。就熒光燈燈管和高壓放電燈而言， 它們可選的離線(xiàn)運行鎮流器范圍較廣。但因為發(fā)光元件的數目很少， 這種電路很簡(jiǎn)單。很少有熒光燈有四條以上的燈管， 而高壓放電燈采用的元件至少超過(guò)一個(gè)。然而LED 則大不相同， 即使包括“大功率” LED在內， 大多數的功率只有0. 5W ~ 5W。盡管有一些例外的情況， 但對于路燈來(lái)說(shuō)， 通常都需要采用100個(gè)或更多1W 的LED 才能發(fā)出其所需的數千流明的光。

　　LED 是電流驅動(dòng)器件， 以350 mA 驅動(dòng)的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向電壓VF。LED是動(dòng)態(tài)電阻非常小的PN結二極管。給二極管施加超過(guò)VF三倍的電壓會(huì )導致電流量不受控制。如果將LED 直接連接到離線(xiàn)交流電壓， 它會(huì )發(fā)出很亮的光然后很快失效?！膀寗?dòng)器”這個(gè)術(shù)語(yǔ)， 被用來(lái)形容將離線(xiàn)電壓轉換為受控直流電流的功率調節電路。手電筒在被用壞之前很可能早已丟失。而路燈的應用需求顯然與之不同， 因此， 長(cháng)期的可靠性和產(chǎn)品使用壽命是路燈的主要考慮因素。LED 已被宣傳為持續時(shí)間最長(cháng)的商業(yè)光源， 但如果燈可以持續使用數萬(wàn)小時(shí)，則與之匹配的驅動(dòng)器也必須能夠堅持使用相同長(cháng)的時(shí)間。這意味著(zhù)要更加留心電力驅動(dòng)器的各個(gè)方面，包括從系統架構到每個(gè)電路元件的選擇。

　　2 直流總線(xiàn)電壓

　　驅動(dòng)100個(gè)LED 的方法之一是采用單個(gè)串聯(lián)鏈，如圖1所示。這可以確保經(jīng)過(guò)每個(gè)LED 的電流相同。

　　此外由于光線(xiàn)輸出與電流成正比， 所以這是保證每個(gè)器件發(fā)出相同光輸出的最佳方法。然而問(wèn)題在于直流電壓很容易達到400 V。這樣高的電壓可能是致命的， 而且還需要較大且昂貴的元件。

　　圖1 所有100個(gè)LED串聯(lián)

　　驅動(dòng)100個(gè)LED 的另一種方法是采用較低的直流電壓。眾所周知， 成本高的拓撲（如逆向轉換器）可以構成良好的AC - DC 級（ 通常稱(chēng)作？？ 離線(xiàn)轉換器 ）， 因為它們可以將步降功能與電流隔離和功率因數校正PFC 組合起來(lái)。直流總線(xiàn)電壓通常為60 V 或低于60 V， 這一方面是因為在電信應用中要48 V， 另一方面也是因為安全條例的規定（例如IEC 對安全超低電壓的定義）。48 V 配電電壓比數字電路的邏輯電壓高， 比整流的離線(xiàn)電壓低， 所以它通常被稱(chēng)作“中間直流總線(xiàn)”。

3 DC- DC LED驅動(dòng)器的拓撲

　?。?1）當V IN 》 Vo時(shí)采用降壓， 輸出電容器為可選件， 見(jiàn)圖2（ a） ;（ 2）當V IN 《 Vo時(shí)采用升壓， 輸出電容器為必需件， 見(jiàn)圖2（ b） ;（ 3）當V IN 和V o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 ？ （ 1 # 5% ） 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 ~ 51 V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?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" class=scaleImage alt="采用模塊化結構的高性能大功率LED驅動(dòng)解決方案" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20140213/223854_1_2.jpg">

　　圖3 簡(jiǎn)化的系統架構

　　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?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" class=scaleImage alt="采用模塊化結構的高性能大功率LED驅動(dòng)解決方案" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20140213/223854_1_3.jpg">

　　圖4 詳細的LM3402HV 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300 ns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40 V 的VO - MAX 和45 V 的V IN -M IN， 計算可能的最高開(kāi)關(guān)頻率fSW -M AX。下面的等式可用來(lái)計算f SW - 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锢沓叽纾ㄈ珉姼衅?， 當開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)會(huì )越?。┡c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。

　　圖5 交叉連接的串并聯(lián)陣列

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。