詳細解析一款驅(qū)動高功率LED照明應(yīng)用的新方法

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。

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。

圖1 　簡單的降壓穩(wěn)壓器

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)同步降壓運行的 PWM 控制器。

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)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