模块化结构的大功率LED驱动器解决方案

 0 引言

　　手电筒、MR - 16灯泡的升级换代、应急灯以及几乎任何低功率白光照明应用都已经在采用LED技术。

　　接下来路灯可能是LED 技术大规模应用的下一个领域。与手电筒和低功率应用实例相比， LED路灯应用也意味着更大的挑战。

　　1 设计要求

　　LED路灯照明不会一蹴而就， 因为尚有重大的技术难题需要攻克。除了个别情况（如太阳能电池）， 路灯的输入采用交流电源（通常被称作“离线” ） ， 大多是120 V或230 V 交流电。就荧光灯灯管和高压放电灯而言， 它们可选的离线运行镇流器范围较广。但因为发光元件的数目很少， 这种电路很简单。很少有荧光灯有四条以上的灯管， 而高压放电灯采用的元件至少超过一个。然而LED 则大不相同， 即使包括“大功率” LED在内， 大多数的功率只有0. 5W ~ 5W。尽管有一些例外的情况， 但对于路灯来说， 通常都需要采用100个或更多1W 的LED 才能发出其所需的数千流明的光。

　　LED 是电流驱动器件， 以350 mA 驱动的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向电压VF。LED是动态电阻非常小的PN结二极管。给二极管施加超过VF三倍的电压会导致电流量不受控制。如果将LED 直接连接到离线交流电压， 它会发出很亮的光然后很快失效。“驱动器”这个术语， 被用来形容将离线电压转换为受控直流电流的功率调节电路。手电筒在被用坏之前很可能早已丢失。而路灯的应用需求显然与之不同， 因此， 长期的可靠性和产品使用寿命是路灯的主要考虑因素。LED 已被宣传为持续时间最长的商业光源， 但如果灯可以持续使用数万小时，则与之匹配的驱动器也必须能够坚持使用相同长的时间。这意味着要更加留心电力驱动器的各个方面，包括从系统架构到每个电路元件的选择。

　　2 直流总线电压

　　驱动100个LED 的方法之一是采用单个串联链，如图1所示。这可以确保经过每个LED 的电流相同。

　　此外由于光线输出与电流成正比， 所以这是保证每个器件发出相同光输出的最佳方法。然而问题在于直流电压很容易达到400 V。这样高的电压可能是致命的， 而且还需要较大且昂贵的元件。

　　驱动100个LED 的另一种方法是采用较低的直流电压。众所周知， 成本高的拓扑（如逆向转换器）可以构成良好的AC - DC 级， 因为它们可以将步降功能与电流隔离和功率因数校正PFC 组合起来。直流总线电压通常为60 V 或低于60 V， 这一方面是因为在电信应用中要48 V， 另一方面也是因为安全条例的规定（例如IEC 对安全超低电压的定义）。48 V 配电电压比数字电路的逻辑电压高， 比整流的离线电压低， 所以它通常被称作“中间直流总线”。

　　3 DC- DC LED驱动器的拓扑

　　（ 1）当Vin >> Vo时采用降压， 输出电容器为可选件， 见图2（ a） ;

　　（ 2）当Vin<

　　（ 3）当Vin和Vo重叠时采用降升压， 有许多拓扑， 见图2（ c）。

　　图2 非隔离转换器的三种主要类型

　　DC- DC 转换器是LED 电源最后一级的自然选择。LED需要直流电流， 因此电压输出也为直流。由于前一级已考虑了整流、PFC 和隔离的因素， 采用中间直流总线可以使设计师使用节约经济的非隔离DC- DC 转换器。非隔离转换器分为三种主要类型： 步压或降压、步升或升压以及步升/步降或降升压。图2中描绘了这三种类型。在这些拓扑中， 降压稳压器目前最适合驱动LED， 原因如下： 首先， 降压电感在输出端， 这意味着LED电流和电感电流的平均值相同； 而且， 输出电流始终被电感明确控制； 其次， 步降电压是功率转换的最高效形式， 这使降压器在所有开关转换器中功率效率最高； 第三， 降压器是最经济的开关转换器， 因为最大的电流在输出端， 最高的电压在输入端。由此， 在由功率MOSFET和二极管构成的开关转化器上， 这些功率转换器件所获得电流和电压就最小。这就意味着可以广泛地选择电源开关、无源元件和控制IC， 从而构成最经济的解决方案。

　　4 排列LED和选取驱动器IC

　　针对该示例中的设计， 将使用100 个1 W 的LED。选择48 V 的中间直流总线是一个明智之举， 因为有现成且输出功率选择范围广泛的AC - DC 电源可供选用。一个48 V 的降压LED 驱动器可用来驱动10个串联的LED。10个这样的驱动器可以构成明亮的灯， 可以用来运行所有的100个LED，而无需使用危险的电压。半导体制造商按照光通量、相关色温CCT和正向电压将他们的白光LED进行分类。对于保持一致的颜色和光输出来说， 按色温和光通量分类很重要， 但对LED 分类的规格越高， 成本也就越高。当使用各种档次的LED 时， LED 灯的设计必须适用于较宽的正向电压范围。因此每个LED 驱动器将被设计为350 mA 电流源， 可以从45 V ~ 51 V的输入电压产生30 V ~ 40 V 的输出电压范围， 从而使每个LED的VF的可能变化范围在3. 0 V ~ 4. 0 V。

　　LM3402HV 是一个具有内部功率N - MOSFET 的降压型稳压器， 运行电压高达75 V， 由于其最低过热电流限制为530mA， 因此也非常适合350 mA输出电流， 如有必要足以驱动纹波电流范围较宽的LED。图3显示了系统架构， 图4显示了每个LM3402HV 的完整电路。

5 采用降压稳压器的设计难题

　　当使用降压稳压器驱动LED时，最主要的设计难题是如何处理当输入电压最低时输出电压却最高的情况。和许多开关稳压器相似，LM3402HV 无法无限地打开它的内部功率N - MOSFET。在每个开关周期中， 稳压器必须关闭300 ns（最短关断时间），以便刷新自举电容器，该电容器是驱动内部功率FET的电路的一部分。最短关断时间是固定的，由于300ns占据开关周期的比例会越来越大，因此可以获得的最大占空比会随着开关频率的提高而下降。以下这个示例，将基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 计算可能的最高开关频率fSW-MAX。下面的等式可用来计算fSW-MAX。

　　LM3402HV 的典型开关频率范围为50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通常可以在功率元件物理尺寸（如电感器，当开关频率越高时会越小）与功率效率（当开关频率越低时会越高）之间取得较好的平衡。

　　在本示例中， 无法使用500 kH z， 因此将使用370 kH z。

　　这将确保LED驱动器的元件尽可能最小， 同时在输入和输出电压条件最差期间仍能正常驱动所有10个LED。

　　6 避免串并联陷阱

　　许多工程师会考虑由一个电流源驱动的串并联阵列， 如图5所示。对于本示例而言， 电路将成为以相同的30 V ~ 40 V 输出电压输出3. 5 A 的单个电流源。

　　这个方案实际上并不实用。首先，即使如图5中所示那样交叉连接，不同LED 的VF之间存在自然差异，这意味着来自驱动器的3. 5 A 将永远无法在不同LED 之间均匀分配。虽然可以非常严格地按照VF对LED进行分类，以此来改善电流不匹配，但这种改善只在LED 晶粒温度为25 度（进行分类的温度）时有效。一旦晶粒温度上升，VF开始下降。而且如同VF本身一样，不同LED的电压随温度变化的情况也不相同。在25度 时电流完美匹配的阵列在达到热稳态时，将再次变得不平衡。更为糟糕的是， LED电流之间存在正反馈回路，正向电压下降， 晶粒温度会上升。

　　那些VF下降较多的LED会抽取更多电流，导致其晶粒更热，从而导致VF进一步下降。

　　路灯设计师不采用串并联方法的第二个原因是LED发生故障时系统可靠性会变得很差。当LED 发生故障变为开路时，图6中所示的电流源将继续输出全部电流，会使增加的电流经过其余路径。LED 发生故障时也可能变为短路，这会导致阵列的电压大幅下降，造成不平衡。电流的任何不平衡会导致阵列中的其他LED过热，短时间内会减少光输出，长时间会降低流明维持率，这会导致灯过早变暗或报废。因此，为了获得可靠的LED 光源，每个LED串应该有它自己专用的电流源（或电流库）。

　　7 小结

　　在许多消费类照明领域， 白炽灯泡、荧光灯管等现有技术的成本非常低， 以致于LED 照明的许多优点都无法弥补其初始购买价格较高这一缺憾。路灯照明的情况则明显不同。因为LED 路灯照明具有较长的寿命， 高可控性， 非常符合政府的需要， 而且也便于政府评估LED路灯的拥有成本与初始购买价格。由于配备了良好的散热设备和强大的驱动电路， 这是LED 路灯方案的价值所在。笔者提出的驱动器解决方案， 很好地达到了较高的初始成本与延长使用寿命之间的平衡。每个路灯可以控制它的光输出、响应并报告故障， 以及与相邻路灯通信， 从而为社区提供高效、可靠的服务。