模塊化結(jié)構(gòu)的高性能大功率LED驅(qū)動(dòng)解決方案

0 引言

手電筒、MR - 16燈泡的升級(jí)換代、應(yīng)急燈以及幾乎任何低功率白光照明應(yīng)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(guī)模應(yīng)用的下一個(gè)領(lǐng)域。與手電筒和低功率應(yīng)用實(shí)例相比， LED路燈應(yīng)用也意味著更大的挑戰(zhàn)。

1 設(shè)計(jì)要求

LED路燈照明不會(huì)一蹴而就， 因?yàn)樯杏兄卮蟮募夹g(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(通常被稱作“離線” ) ， 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， 它們可選的離線運(yùn)行鎮(zhèn)流器范圍較廣。但因?yàn)榘l(fā)光元件的數(shù)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(nèi)， 大多數(shù)的功率只有0. 5W ~ 5W。盡管有一些例外的情況， 但對(duì)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(shù)千流明的光。

LED 是電流驅(qū)動(dòng)器件， 以350 mA 驅(qū)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(jié)二極管。給二極管施加超過(guò)VF三倍的電壓會(huì)導(dǎo)致電流量不受控制。如果將LED 直接連接到離線交流電壓， 它會(huì)發(fā)出很亮的光然后很快失效。“驅(qū)動(dòng)器”這個(gè)術(shù)語(yǔ)， 被用來(lái)形容將離線電壓轉(zhuǎn)換為受控直流電流的功率調(diào)節(jié)電路。手電筒在被用壞之前很可能早已丟失。而路燈的應(yīng)用需求顯然與之不同， 因此， 長(zhǎng)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(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的商業(yè)光源， 但如果燈可以持續(xù)使用數(shù)萬(wàn)小時(shí)，則與之匹配的驅(qū)動(dòng)器也必須能夠堅(jiān)持使用相同長(zhǎng)的時(shí)間。這意味著要更加留心電力驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)方面，包括從系統(tǒng)架構(gòu)到每個(gè)電路元件的選擇。

2 直流總線電壓

驅(qū)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(dá)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。

驅(qū)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?fù)?如逆向轉(zhuǎn)換器)可以構(gòu)成良好的AC - DC 級(jí)， 因?yàn)樗鼈兛梢詫⒉浇倒δ芘c電流隔離和功率因數(shù)校正PFC 組合起來(lái)。直流總線電壓通常為60 V 或低于60 V， 這一方面是因?yàn)樵陔娦艖?yīng)用中要48 V， 另一方面也是因?yàn)榘踩珬l例的規(guī)定(例如IEC 對(duì)安全超低電壓的定義)。48 V 配電電壓比數(shù)字電路的邏輯電壓高， 比整流的離線電壓低， 所以它通常被稱作“中間直流總線”。

3 DC- DC LED驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)?/p>

( 1)當(dāng)Vin >> Vo時(shí)采用降壓， 輸出電容器為可選件， 見(jiàn)圖2( a) ;

( 2)當(dāng)Vin<

( 3)當(dāng)Vin和Vo重疊時(shí)采用降升壓， 有許多拓?fù)洌?見(jiàn)圖2( c)。

圖2 非隔離轉(zhuǎn)換器的三種主要類型

DC- DC 轉(zhuǎn)換器是LED 電源最后一級(jí)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(jí)已考慮了整流、PFC 和隔離的因素， 采用中間直流總線可以使設(shè)計(jì)師使用節(jié)約經(jīng)濟(jì)的非隔離DC- DC 轉(zhuǎn)換器。非隔離轉(zhuǎn)換器分為三種主要類型： 步壓或降壓、步升或升壓以及步升/步降或降升壓。圖2中描繪了這三種類型。在這些拓?fù)渲校?降壓穩(wěn)壓器目前最適合驅(qū)動(dòng)LED， 原因如下： 首先， 降壓電感在輸出端， 這意味著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(zhuǎn)換的最高效形式， 這使降壓器在所有開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中功率效率最高; 第三， 降壓器是最經(jīng)濟(jì)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器， 因?yàn)樽畲蟮碾娏髟谳敵龆耍?最高的電壓在輸入端。由此， 在由功率MOSFET和二極管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化器上， 這些功率轉(zhuǎn)換器件所獲得電流和電壓就最小。這就意味著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(gòu)成最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

4 排列LED和選取驅(qū)動(dòng)器IC

針對(duì)該示例中的設(shè)計(jì)， 將使用100 個(gè)1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線是一個(gè)明智之舉， 因?yàn)橛鞋F(xiàn)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(qū)動(dòng)器可用來(lái)驅(qū)動(dòng)10個(gè)串聯(lián)的LED。10個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器可以構(gòu)成明亮的燈， 可以用來(lái)運(yùn)行所有的100個(gè)LED，而無(wú)需使用危險(xiǎn)的電壓。半導(dǎo)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。對(duì)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很重要， 但對(duì)LED 分類的規(guī)格越高， 成本也就越高。當(dāng)使用各種檔次的LED 時(shí)， LED 燈的設(shè)計(jì)必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個(gè)LED 驅(qū)動(dòng)器將被設(shè)計(jì)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。

LM3402HV 是一個(gè)具有內(nèi)部功率N - MOSFET 的降壓型穩(wěn)壓器， 運(yùn)行電壓高達(dá)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(qū)動(dòng)紋波電流范圍較寬的LED。圖3顯示了系統(tǒng)架構(gòu)， 圖4顯示了每個(gè)LM3402HV 的完整電路。

5 采用降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)難題

當(dāng)使用降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)LED時(shí),最主要的設(shè)計(jì)難題是如何處理當(dāng)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(wěn)壓器相似，LM3402HV 無(wú)法無(wú)限地打開(kāi)它的內(nèi)部功率N - MOSFET。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中， 穩(wěn)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(qū)動(dòng)內(nèi)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(jù)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(jì)算可能的最高開(kāi)關(guān)頻率fSW-MAX。下面的等式可用來(lái)計(jì)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(dāng)開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)會(huì)越小)與功率效率(當(dāng)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(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)的串并聯(lián)陣列， 如圖5所示。對(duì)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,這意味著來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的3. 5 A 將永遠(yuǎn)無(wú)法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴(yán)格地按照VF對(duì)LED進(jìn)行分類，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(dá)到熱穩(wěn)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(dǎo)致其晶粒更熱，從而導(dǎo)致VF進(jìn)一步下降。

路燈設(shè)計(jì)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(tǒng)可靠性會(huì)變得很差。當(dāng)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(xù)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(dǎo)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(dǎo)致陣列中的其他LED過(guò)熱，短時(shí)間內(nèi)會(huì)減少光輸出，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)降低流明維持率，這會(huì)導(dǎo)致燈過(guò)早變暗或報(bào)廢。因此，為了獲得可靠的LED 光源，每個(gè)LED串應(yīng)該有它自己專用的電流源(或電流庫(kù))。

7 小結(jié)

在許多消費(fèi)類照明領(lǐng)域， 白熾燈泡、熒光燈管等現(xiàn)有技術(shù)的成本非常低， 以致于LED 照明的許多優(yōu)點(diǎn)都無(wú)法彌補(bǔ)其初始購(gòu)買價(jià)格較高這一缺憾。路燈照明的情況則明顯不同。因?yàn)長(zhǎng)ED 路燈照明具有較長(zhǎng)的壽命， 高可控性， 非常符合政府的需要， 而且也便于政府評(píng)估LED路燈的擁有成本與初始購(gòu)買價(jià)格。由于配備了良好的散熱設(shè)備和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)電路， 這是LED 路燈方案的價(jià)值所在。筆者提出的驅(qū)動(dòng)器解決方案， 很好地達(dá)到了較高的初始成本與延長(zhǎng)使用壽命之間的平衡。每個(gè)路燈可以控制它的光輸出、響應(yīng)并報(bào)告故障， 以及與相鄰路燈通信， 從而為社區(qū)提供高效、可靠的服務(wù)。