驅(qū)動高功率LED照明應(yīng)用的一種新方法

1、驅(qū)動高功率LED照明應(yīng)用的一種新方法2013年4月28日 來源：大比特半導(dǎo)體器件網(wǎng)在諸如路燈、高棚燈體育場照明以及其他許多高功率照明應(yīng)用中，其發(fā) 展正轉(zhuǎn)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 頻率的價值定位，而這兩個因素也證明了這種轉(zhuǎn)換的合理性。在此類高功率 照明應(yīng)用中，人們考慮使用各種各樣的方法來驅(qū)動這些照明燈。本文中，我 們將討論一種新的拓撲，它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅(qū)動多個 LED 串而著稱。要想充分地了解這種拓撲的優(yōu)點，我們就必須首先研究現(xiàn)在考慮使用或 者已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中取得較好效果的各種方法。一種簡單的方法是， 使用一個能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為 DC輸

2、出電壓（例如：12伏或 24伏）的電 源；然后，讓并聯(lián)LED串在這個電源下工作，并在每個串中使用電阻器來調(diào) 節(jié)電流。這是一種低成本的方法。但是，當今的高亮度 LED可消耗超過 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(diào)節(jié)效 果較差，而這又會使串與串之間的光線差異極為明顯。For pers onal use only in study and research; not forcommercialuse要改進這種方法，需用線性穩(wěn)壓器取代電阻器，從而改善所有串的光線 輸出一致性。但是這樣做僅有這一個好處，而在效率或功耗方面并沒有明顯 的改善。降低功耗對于最大化LED使用壽命

3、來說非常重要。這兩種方法中， 無論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源，都會極大地縮短LED的使 用壽命。另一種同樣非常簡單的方法是制作一個長長的單一串聯(lián)串，使用一個能 夠產(chǎn)生高壓 DC恒定電流源的單電源。這種方法的高壓工作將其置于 60VDC 或 42V RMS安全超低壓（SELV） 電平以上。它將照明設(shè)備或附件與安全機構(gòu) 許可過程綁定，并極大地降低了將相同電氣設(shè)計運用到其他應(yīng)用中的靈活 性。單串方法的另外一個考慮因素是可靠性。如果只有一個LED開啟，那么您就要釋放整個照明設(shè)備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個 LED 開啟，例如：加裝許多消弧電路（crowbar） 或器件等，但是這會

4、增加燈具 的成本和復(fù)雜性。高功率 LED照明應(yīng)用中最為常用的方法是，使用具有開關(guān)穩(wěn)壓器電流調(diào) 節(jié)的多串架構(gòu)。這樣，一個主電源就將 AC電源轉(zhuǎn)換為一個 DC總線電壓， 其一般在 SELV電平以下。然后，該總線為并聯(lián) LED串供電，其每一個串 都擁有一個降壓轉(zhuǎn)換器（最為常見）或升壓轉(zhuǎn)換器。為了簡單起見，我們將會 把我們的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，因為在成本和組件數(shù)目方面它都與升壓 轉(zhuǎn)換器非常類似。例如，圖1顯示的是低成本簡易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個 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，則您可以用一個 MOSFET代替二極管，并使用一個能夠?qū)崿F(xiàn)同步

5、降壓運 行的 PWM控制器?！癷d圖1簡單的降壓穩(wěn)壓器圖2顯示的是一個利用降壓穩(wěn)壓器進行電流調(diào)節(jié)的高功率、多串照明應(yīng)用的各個子系統(tǒng)模塊。圖2使用降壓穩(wěn)壓器的典型高功率LED照明系統(tǒng)AC電源輸入經(jīng)過整流，供給一個功率因數(shù)校正（PFC） 升壓電路，其 PFC會產(chǎn)生一個400V 的高壓，從而向下游隔離 DC/DC轉(zhuǎn)換器提供輸入。 之后，該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出被用于產(chǎn)生一個低壓總線（一般為12V或 24V 范圍），從而向經(jīng)過降壓調(diào)節(jié)的LED串供電。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個或更多串的高功率應(yīng)用來說，組件數(shù)量和成本都會有所增加。 就電子組件廠商和供應(yīng)

6、鏈來說，可能會有可觀的銷售。然而，對于照明設(shè)備 廠商及其用戶來說，高成本并不利于產(chǎn)品的廣泛使用。固態(tài)照明的長期穩(wěn)定 發(fā)展需要的是低成本驅(qū)動電路，它可以讓這個市場成型并順利發(fā)展。圖3顯示的是一個串聯(lián)輸入多并聯(lián)LED （SIMPLE） 驅(qū)動器。它是一種 高性價比的多LED串驅(qū)動方法。除 PFC外，它是一種兩級方法，包括一個 反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個下游 DC/DC 變壓器電路。它極為高效，具 有優(yōu)異的串電流調(diào)節(jié)功能，并且（最為重要的是）還是一個低成本的方法。它 本身還可以具有為每個串加裝的單無源作用硅芯片控制的整流器（SCR）消 弧電路冗余。如果一個LED或串開啟，它不會釋放其余串。在我們深入

7、研究其運行情況之前，讓我們首先對那些使用 SIMPLE 驅(qū)動 多變壓器方法時突出的問題進行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電 隔離設(shè)計，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計在 SELV電平以下。當輸出電壓保持在 SELV電平以下時，其就消除了讓照明設(shè)備與電源結(jié)合的要求，并且互連獲 得了安全機構(gòu)的許可。讓輸出保持在這些電平以下，增加了其本身的靈活性，從而使各種燈具可以滿足許多其他照明應(yīng)用的要求。電源仍然要求安全許 可，正如本文中討論的所有離線解決方案一樣，但是燈具卻不需要。另外，從散熱管理的角度來看，這種隔離設(shè)計則更加理想，因為沒有了 對 LED接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個顯著的特點是，它不要

8、求輸出端反饋。這就去除了光電或其他安全規(guī)定的隔離反饋器件。最后，我 們來看這種二次側(cè)的簡易性。它只有很少的無源組件，并且沒有偏置電源、 有源組件或任何種類的控件。談及運行，SIMPLE 驅(qū)動器擁有優(yōu)于1%的極好的串電流匹配。它具有可 獲得高效率的諧振運行，并且隨著串數(shù)量的增加其性價比也會更高。PFCVfl'JCC2K1DUCCMC HaO瞬CH憎3圖3 SIMPLE 驅(qū)動多變壓器概述PFC電路的輸出為反向降壓電路的輸入。反向降壓經(jīng)過配置，產(chǎn)生一個恒 定電流輸出。這種電流下，系統(tǒng)閉環(huán)位于附近。它產(chǎn)生的電流輸出向下游供 給 DC/DC變壓器電路，而該電路由一個半橋接控制器、兩個 MOSFE

9、T、電容 C1和 電容 C2以及一些變壓器組成。之后，該電流經(jīng)過半橋接 MOSFET開 關(guān)，到達串聯(lián)變壓器的一次側(cè)。電容 C1和 C2服務(wù)于許多功能。它們可用 于為半橋接建立一個分壓器，同時它們還是諧振電路的組成組件，也是 DC 阻斷電容，這有助于防止變壓器飽和。諧振運行允許MOSFET開關(guān)以零電壓開關(guān)(ZVS) 進行開關(guān)運行。這就降低了開關(guān)損耗， 并強制輸出二極管至零電流開關(guān)(ZCS)，從而有助于效率最大化?，F(xiàn)已轉(zhuǎn)換為 AC電流的 DC電流通過所有串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧 振?？纱?lián)放置的變壓器一次側(cè)數(shù)目十分靈活，因為可以選擇繞組比來支持 許多變壓器或LED串。計算匝數(shù)比需要考慮的是串數(shù)，這

10、是由于其規(guī)定了 變壓器的數(shù)目以及每個串的正向電壓。設(shè)計考慮因素要獲得功率轉(zhuǎn)換的最高可達效率，目標就是盡可能地處理最少的功率。 要達到這個目的，我們需要盡可能地接近輸入電壓來工作。由于大多數(shù)高功 率照明應(yīng)用都支持有源 PFC的使用，為了簡單起見，我們將只把它看作是 功能模塊，并給其輸出分配一些典型值。由于大多數(shù)有源 PFC電路都起到一個升壓轉(zhuǎn)換器的作用，因此 PFC輸 出電壓的設(shè)定必須要高于最高AC線壓的峰值。85- 265VAC 一般輸入范圍時，其為大約 375V。增加一些動態(tài)范圍上限，以獲得裕度和容差，這時 400V便為一個典型的設(shè)定值。要確保下游降壓擁有PFC輸出變化的較多動 態(tài)范圍上限，

11、就需要增加稍多的裕度，以適應(yīng)約 40V的紋波。這就使我們 的反向降壓最小輸入運行點為大約360V。為保證降壓輸出具有一定的順從電壓，以讓其能夠正常地工作，這就需 要也給它一定的動態(tài)范圍上限，并將其輸出范圍限定在280V。既然我們都了解我們的各個邊界，那么就讓我們來看看如何通過降壓和 變壓器匝比來計算恒定電流值的一個設(shè)計實例。在本例中，我們使用了兩個變壓器來驅(qū)動四個 LED串，其電流為1A。 每個串都擁有十只高功率LED。假設(shè)：LED 正 向電壓 Vf = 3.5V,且一個 串電壓=35V由于我們將 DC降壓的輸出工作點設(shè)定在 280V ,因此它現(xiàn)在作為 DC/DC變壓器電路的輸入。這就意味著，

12、施加于串聯(lián)一次側(cè)的電壓將為電容 分壓器(由 C1和 C2組成)電壓的1/2 ,從而在串聯(lián)一次側(cè)布局上獲得 140V 的電壓。現(xiàn)在，匝數(shù)比的計算就變得十分容易了，如方程式1所示： 每個變壓器的一次側(cè)電壓（VP）= 橋接電壓/變壓器數(shù)=140V/2=70VNs Vp 70V2匝數(shù)比（方程式1）其中：NP = 一次側(cè)匝數(shù)NS =二次側(cè)匝數(shù)VS =二次側(cè)或 LED串電壓VP =每個一次繞組兩端的電壓要計算反向降壓的電流輸出設(shè)定值，其中每個變壓器驅(qū)動兩個 LED串， 首先必須認識到交替半周期中每個變壓器中只有一個串在導(dǎo)電。這就是說， 在睡眠期間維持 LED導(dǎo)電而必須向?qū)щ姶峁┑碾娏鞅仨毷?LED電流的

13、 兩倍。理想LED電流為1A的這種情況下，每半個周期向LED和濾波器 電容提供的電流為2A。要計算降壓穩(wěn)壓器，設(shè)定電流值（ISet） 如方程式2所示：ISrt =iLEDf* =(1A)NP（方程式2）結(jié)論正如您所見，確定變壓器要求是一件非常簡單的事情，同時使得 SIMPLE 驅(qū)動成為能夠滿足許多不同照明應(yīng)用的一種極為靈活的解決方案。如果您想 要讓 SIMPLE 驅(qū)動成為您眾多 LED照明應(yīng)用模塊方法的一部分，您需要考 慮上游功率級，例如：半橋中的功率處理組件、反向降壓和 PFC等，因為 必須調(diào)整它們的大小來應(yīng)對您希望驅(qū)動器滿足的最高功率級。僅供個人用于學(xué)習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwend