高性能大功率LED路燈驅動解決方案：模塊化結構
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1、 設計要求
LED路燈照明不會一蹴而就， 因為尚有重大的技術難題需要攻克。除了個別情況(如太陽能電池)， 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，它們可選的離線運行鎮(zhèn)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一個。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， 但對于路燈來說， 通常都需要采用100個或更多1W 的LED 才能發(fā)出其所需的數千流明的光。
LED 是電流驅動器件， 以350 mA 驅動的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向電壓VF。LED是動態(tài)電阻非常小的PN結二極管。給二極管施加超過VF三倍的電壓會導致電流量不受控制。如果將LED 直接連接到離線交流電壓， 它會發(fā)出很亮的光然后很快失效?！膀寗悠鳌边@個術語， 被用來形容將離線電壓轉換為受控直流電流的功率調節(jié)電路。手電筒在被用壞之前很可能早已丟失。而路燈的應用需求顯然與之不同， 因此， 長期的可靠性和產品使用壽命是路燈的主要考慮因素。LED 已被宣傳為持續(xù)時間最長的商業(yè)光源， 但如果燈可以持續(xù)使用數萬小時，則與之匹配的驅動器也必須能夠堅持使用相同長的時間。這意味著要更加留心電力驅動器的各個方面，包括從系統(tǒng)架構到每個電路元件的選擇。
2 、直流總線電壓
驅動100個LED 的方法之一是采用單個串聯鏈，如圖1所示。這可以確保經過每個LED 的電流相同。此外由于光線輸出與電流成正比， 所以這是保證每個器件發(fā)出相同光輸出的最佳方法。然而問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。
3 、DC- DC LED驅動器的拓撲
1)當Vin >> Vo時采用降壓， 輸出電容器為可選件， 見圖2(a)。
2)當VinVo時采用升壓， 輸出電容器為必須件， 見圖2(b)
3)當Vin和Vo重疊時采用降升壓， 有許多拓撲， 見圖2(c)。
圖2 非隔離轉換器的三種主要類型
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， 采用中間直流總線可以使設計師使用節(jié)約經濟的非隔離DC- DC 轉換器。非隔離轉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。在這些拓撲中， 降壓穩(wěn)壓器目前最適合驅動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， 步降電壓是功率轉換的最高效形式， 這使降壓器在所有開關轉換器中功率效率最高；第三， 降壓器是最經濟的開關轉換器， 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和二極管構成的開關轉化器上， 這些功率轉換器件所獲得電流和電壓就最小。這就意味著可以廣泛地選擇電源開關、無源元件和控制IC， 從而構成最經濟的解決方案。
4、 排列LED和選取驅動器IC
針對該示例中的設計， 將使用100 個1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線是一個明智之舉， 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48 V 的降壓LED 驅動器可用來驅動10個串聯的LED。
10個這樣的驅動器可以構成明亮的燈， 可以用來運行所有的100個LED，而無需使用危險的電壓。半導體制造商按照光通量、相關色溫CCT和正向電壓將他們的白光LED進行分類。對于保持一致的顏色和光輸出來說， 按色溫和光通量分類很重要， 但對LED 分類的規(guī)格越高， 成本也就越高。當使用各種檔次的LED 時， LED 燈的設計必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個LED 驅動器將被設計為350 mA 電流源， 可以從45 V ~ 51V的輸入電壓產生30 V ~ 40 V 的輸出電壓范圍， 從而使每個LED的VF的可能變化范圍在3. 0 V ~ 4. 0 V。
LM3402HV 是一個具有內部功率N - MOSFET 的降壓型穩(wěn)壓器， 運行電壓高達75 V， 由于其最低過熱電流限制為530mA， 因此也非常適合350 mA輸出電流， 如有必要足以驅動紋波電流范圍較寬的LED。圖3顯示了系統(tǒng)架構， 圖4顯示了每個LM3402HV 的完整電路。
5 、采用降壓穩(wěn)壓器的設計難題
當使用降壓穩(wěn)壓器驅動LED時,最主要的設計難題是如何處理當輸入電壓最低時輸出電壓卻最高的情況。和許多開關穩(wěn)壓器相似，LM3402HV 無法無限地打開它的內部功率N - MOSFET。在每個開關周期中， 穩(wěn)壓器必須關閉300 ns(最短關斷時間)，以便刷新自舉電容器，該電容器是驅動內部功率FET的電路的一部分。最短關斷時間是固定的，由于300ns占據開關周期的比例會越來越大，因此可以獲得的最大占空比會隨著開關頻率的提高而下降。以下這個示例，將基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 計算可能的最高開關頻率fSW-MAX。下面的等式可用來計算fSW-MAX。
LM3402HV 的典型開關頻率范圍為50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通?？梢栽诠β试锢沓叽?如電感器，當開關頻率越高時會越小)與功率效率(當開關頻率越低時會越高)之間取得較好的平衡。
在本示例中， 無法使用500 kH z， 因此將使用370 kH z。這將確保LED驅動器的元件盡可能最小， 同時在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅動所有10個LED。
6 、避免串并聯陷阱
許多工程師會考慮由一個電流源驅動的串并聯陣列， 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 的單個電流源。
這個方案實際上并不實用。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,這意味著來自驅動器的3.5 A 將永遠無法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴格地按照VF對LED進行分類，以此來改善電流不匹配，但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 度(進行分類的溫度)時有效。一旦晶粒溫度上升，VF開始下降。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 時電流完美匹配的陣列在達到熱穩(wěn)態(tài)時，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， 晶粒溫度會上升。
那些VF下降較多的LED會抽取更多電流，導致其晶粒更熱，從而導致VF進一步下降。
路燈設計師不采用串并聯方法的第二個原因是LED發(fā)生故障時系統(tǒng)可靠性會變得很差。當LED 發(fā)生故障變?yōu)殚_路時，圖6中所示的電流源將繼續(xù)輸出全部電流，會使增加的電流經過其余路徑。LED 發(fā)生故障時也可能變?yōu)槎搪罚@會導致陣列的電壓大幅下降,造成不平衡。電流的任何不平衡會導致陣列中的其他LED過熱，短時間內會減少光輸出，長時間會降低流明維持率，這會導致燈過早變暗或報廢。因此，為了獲得可靠的LED 光源，每個LED串應該有它自己專用的電流源(或電流庫)。
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