驱动高功率LED照明应用的一种新方法

1、驱动高功率LED照明应用的一种新方法2013年4月28日 来源：大比特半导体器件网在诸如路灯、高棚灯体育场照明以及其他许多高功率照明应用中，其发 展正转向使用LED作为光源的固态照明。这是因为其更高能效和更低维护 频率的价值定位，而这两个因素也证明了这种转换的合理性。在此类高功率 照明应用中，人们考虑使用各种各样的方法来驱动这些照明灯。本文中，我 们将讨论一种新的拓扑，它以更高的效率和更低的系统成本驱动多个 LED 串而著称。要想充分地了解这种拓扑的优点，我们就必须首先研究现在考虑使用或 者已经在低功率LED应用中取得较好效果的各种方法。一种简单的方法是， 使用一个能够将电源电压转换为 DC输

2、出电压（例如：12伏或 24伏）的电 源；然后，让并联LED串在这个电源下工作，并在每个串中使用电阻器来调 节电流。这是一种低成本的方法。但是，当今的高亮度 LED可消耗超过 350mA的电流，因此这种方法的损耗极大。它的效率较低，而且电流调节效 果较差，而这又会使串与串之间的光线差异极为明显。For pers onal use only in study and research; not forcommercialuse要改进这种方法，需用线性稳压器取代电阻器，从而改善所有串的光线 输出一致性。但是这样做仅有这一个好处，而在效率或功耗方面并没有明显 的改善。降低功耗对于最大化LED使用寿命

3、来说非常重要。这两种方法中， 无论是将电阻器还是线性稳压器用作固定热源，都会极大地缩短LED的使 用寿命。另一种同样非常简单的方法是制作一个长长的单一串联串，使用一个能 够产生高压 DC恒定电流源的单电源。这种方法的高压工作将其置于 60VDC 或 42V RMS安全超低压（SELV） 电平以上。它将照明设备或附件与安全机构 许可过程绑定，并极大地降低了将相同电气设计运用到其他应用中的灵活 性。单串方法的另外一个考虑因素是可靠性。如果只有一个LED开启，那么您就要释放整个照明设备的光线输出。虽然有一些方法可以控制每一个 LED 开启，例如：加装许多消弧电路（crowbar） 或器件等，但是这会

4、增加灯具 的成本和复杂性。高功率 LED照明应用中最为常用的方法是，使用具有开关稳压器电流调 节的多串架构。这样，一个主电源就将 AC电源转换为一个 DC总线电压， 其一般在 SELV电平以下。然后，该总线为并联 LED串供电，其每一个串 都拥有一个降压转换器（最为常见）或升压转换器。为了简单起见，我们将会 把我们的分析仅局限于降压转换器，因为在成本和组件数目方面它都与升压 转换器非常类似。例如，图1显示的是低成本简易降压稳压器电路。它由一个 PWM控制 器、电感、MOSFET、二极管以及少量的电阻和电容组成。如果要求更高的效 率，则您可以用一个 MOSFET代替二极管，并使用一个能够实现同步

5、降压运 行的 PWM控制器。“id图1简单的降压稳压器图2显示的是一个利用降压稳压器进行电流调节的高功率、多串照明应用的各个子系统模块。图2使用降压稳压器的典型高功率LED照明系统AC电源输入经过整流，供给一个功率因数校正（PFC） 升压电路，其 PFC会产生一个400V 的高压，从而向下游隔离 DC/DC转换器提供输入。 之后，该 DC/DC 转换器输出被用于产生一个低压总线（一般为12V或 24V 范围），从而向经过降压调节的LED串供电。这种方法拥有较高的效率，也是最小LED串的理想选择。但是，对于那 些具有4个或更多串的高功率应用来说，组件数量和成本都会有所增加。 就电子组件厂商和供应

6、链来说，可能会有可观的销售。然而，对于照明设备 厂商及其用户来说，高成本并不利于产品的广泛使用。固态照明的长期稳定 发展需要的是低成本驱动电路，它可以让这个市场成型并顺利发展。图3显示的是一个串联输入多并联LED （SIMPLE） 驱动器。它是一种 高性价比的多LED串驱动方法。除 PFC外，它是一种两级方法，包括一个 反向恒定电流降压稳压器和一个下游 DC/DC 变压器电路。它极为高效，具 有优异的串电流调节功能，并且（最为重要的是）还是一个低成本的方法。它 本身还可以具有为每个串加装的单无源作用硅芯片控制的整流器（SCR）消 弧电路冗余。如果一个LED或串开启，它不会释放其余串。在我们深入

7、研究其运行情况之前，让我们首先对那些使用 SIMPLE 驱动 多变压器方法时突出的问题进行一些讨论。首先，我们要注意，这是一种电 隔离设计，其二次侧输出电压可设计在 SELV电平以下。当输出电压保持在 SELV电平以下时，其就消除了让照明设备与电源结合的要求，并且互连获 得了安全机构的许可。让输出保持在这些电平以下，增加了其本身的灵活性，从而使各种灯具可以满足许多其他照明应用的要求。电源仍然要求安全许 可，正如本文中讨论的所有离线解决方案一样，但是灯具却不需要。另外，从散热管理的角度来看，这种隔离设计则更加理想，因为没有了 对 LED接近性或接触金属附件的诸多限制。另一个显著的特点是，它不要

8、求输出端反馈。这就去除了光电或其他安全规定的隔离反馈器件。最后，我 们来看这种二次侧的简易性。它只有很少的无源组件，并且没有偏置电源、 有源组件或任何种类的控件。谈及运行，SIMPLE 驱动器拥有优于1%的极好的串电流匹配。它具有可 获得高效率的谐振运行，并且随着串数量的增加其性价比也会更高。PFCVfl'JCC2K1DUCCMC HaO瞬CH憎3图3 SIMPLE 驱动多变压器概述PFC电路的输出为反向降压电路的输入。反向降压经过配置，产生一个恒 定电流输出。这种电流下，系统闭环位于附近。它产生的电流输出向下游供 给 DC/DC变压器电路，而该电路由一个半桥接控制器、两个 MOSFE

9、T、电容 C1和 电容 C2以及一些变压器组成。之后，该电流经过半桥接 MOSFET开 关，到达串联变压器的一次侧。电容 C1和 C2服务于许多功能。它们可用 于为半桥接建立一个分压器，同时它们还是谐振电路的组成组件，也是 DC 阻断电容，这有助于防止变压器饱和。谐振运行允许MOSFET开关以零电压开关(ZVS) 进行开关运行。这就降低了开关损耗， 并强制输出二极管至零电流开关(ZCS)，从而有助于效率最大化。现已转换为 AC电流的 DC电流通过所有串联变压器的一次侧前后谐 振。可串联放置的变压器一次侧数目十分灵活，因为可以选择绕组比来支持 许多变压器或LED串。计算匝数比需要考虑的是串数，这

10、是由于其规定了 变压器的数目以及每个串的正向电压。设计考虑因素要获得功率转换的最高可达效率，目标就是尽可能地处理最少的功率。 要达到这个目的，我们需要尽可能地接近输入电压来工作。由于大多数高功 率照明应用都支持有源 PFC的使用，为了简单起见，我们将只把它看作是 功能模块，并给其输出分配一些典型值。由于大多数有源 PFC电路都起到一个升压转换器的作用，因此 PFC输 出电压的设定必须要高于最高AC线压的峰值。85- 265VAC 一般输入范围时，其为大约 375V。增加一些动态范围上限，以获得裕度和容差，这时 400V便为一个典型的设定值。要确保下游降压拥有PFC输出变化的较多动 态范围上限，

11、就需要增加稍多的裕度，以适应约 40V的纹波。这就使我们 的反向降压最小输入运行点为大约360V。为保证降压输出具有一定的顺从电压，以让其能够正常地工作，这就需 要也给它一定的动态范围上限，并将其输出范围限定在280V。既然我们都了解我们的各个边界，那么就让我们来看看如何通过降压和 变压器匝比来计算恒定电流值的一个设计实例。在本例中，我们使用了两个变压器来驱动四个 LED串，其电流为1A。 每个串都拥有十只高功率LED。假设：LED 正 向电压 Vf = 3.5V,且一个 串电压=35V由于我们将 DC降压的输出工作点设定在 280V ,因此它现在作为 DC/DC变压器电路的输入。这就意味着，

12、施加于串联一次侧的电压将为电容 分压器(由 C1和 C2组成)电压的1/2 ,从而在串联一次侧布局上获得 140V 的电压。现在，匝数比的计算就变得十分容易了，如方程式1所示： 每个变压器的一次侧电压（VP）= 桥接电压/变压器数=140V/2=70VNs Vp 70V2匝数比（方程式1）其中：NP = 一次侧匝数NS =二次侧匝数VS =二次侧或 LED串电压VP =每个一次绕组两端的电压要计算反向降压的电流输出设定值，其中每个变压器驱动两个 LED串， 首先必须认识到交替半周期中每个变压器中只有一个串在导电。这就是说， 在睡眠期间维持 LED导电而必须向导电串提供的电流必须是 LED电流的

13、 两倍。理想LED电流为1A的这种情况下，每半个周期向LED和滤波器 电容提供的电流为2A。要计算降压稳压器，设定电流值（ISet） 如方程式2所示：ISrt =iLEDf* =(1A)NP（方程式2）结论正如您所见，确定变压器要求是一件非常简单的事情，同时使得 SIMPLE 驱动成为能够满足许多不同照明应用的一种极为灵活的解决方案。如果您想 要让 SIMPLE 驱动成为您众多 LED照明应用模块方法的一部分，您需要考 虑上游功率级，例如：半桥中的功率处理组件、反向降压和 PFC等，因为 必须调整它们的大小来应对您希望驱动器满足的最高功率级。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途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