詳細(xì)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?yàn)槠涓吣苄Ш透途S護(hù)頻率的價(jià)值定位，而這兩個(gè)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?fù)?，它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅(qū)動多個(gè)LED串而著稱。 　　要想充分地了解這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，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(gè)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(gè)電源下工作，并在每個(gè)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(dāng)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(jìn)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(gè)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(gè)長長的單一串聯(lián)串，使用一個(gè)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42VRMS安全超低壓(SELV)電平以上。它將照明設(shè)備或附件與安全機(jī)構(gòu)許可過程綁定，并極大地降低了將相同電氣設(shè)計(jì)運(yùn)用到其他應(yīng)用中的靈活性。 　　單串方法的另外一個(gè)考慮因素是可靠性。如果只有一個(gè)LED開啟，那么您就要釋放整個(gè)照明設(shè)備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個(gè)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(gè)主電源就將AC電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(gè)串都擁有一個(gè)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?yàn)樵诔杀竞徒M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(gè)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(gè)MOSFET代替二極管，并使用一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)同步降壓運(yùn)行的PWM控制器。 　　圖2顯示的是一個(gè)利用降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)的高功率、多串照明應(yīng)用的各個(gè)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(gè)功率因數(shù)校正(PFC)升壓電路，其PFC會產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)市場成型并順利發(fā)展。 　　圖3顯示的是一個(gè)串聯(lián)輸入多并聯(lián)LED(SIMPLE)驅(qū)動器。它是一種高性價(jià)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(gè)反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個(gè)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(gè)低成本的方法。它本身還可以具有為每個(gè)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(gè)LED或串開啟，它不會釋放其余串。 　　在我們深入研究其運(yùn)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(shí)突出的問題進(jìn)行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電隔離設(shè)計(jì)，其二次側(cè)輸出電壓可設(shè)計(jì)在SELV電平以下。當(dāng)輸出電壓保持在SELV電平以下時(shí)，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(jī)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(jì)則更加理想，因?yàn)闆]有了對LED接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，它不要求輸出端反饋。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(yùn)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(yùn)行，并且隨著串?dāng)?shù)量的增加其性價(jià)比也會更高。 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(gè)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(gè)半橋接控制器、兩個(gè)MOSFET、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(dá)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(gè)分壓器，同時(shí)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(yùn)行允許MOSFET開關(guān)以零電壓開關(guān)(ZVS)進(jìn)行開關(guān)運(yùn)行。這就降低了開關(guān)損耗，并強(qiáng)制輸出二極管至零電流開關(guān)(ZCS)，從而有助于效率最大化。 　　現(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?yàn)榭梢赃x擇繞組比來支持許多變壓器或LED串。計(jì)算匝數(shù)比需要考慮的是串?dāng)?shù)，這是由于其規(guī)定了變壓器的數(shù)目以及每個(gè)串的正向電壓。 　　設(shè)計(jì)考慮因素 　　要獲得功率轉(zhuǎn)換的最高可達(dá)效率，目標(biāo)就是盡可能地處理最少的功率。要達(dá)到這個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)400V便為一個(gè)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，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(yùn)行點(diǎn)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(gè)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(jì)算恒定電流值的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。 　　在本例中，我們使用了兩個(gè)變壓器來驅(qū)動四個(gè) LED 串，其電流為1A。每個(gè)串都擁有十只高功率LED。 　　假設(shè)：LED正向電壓Vf=3.5V，且一個(gè)串電壓=35V 　　由于我們將DC降壓的輸出工作點(diǎn)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，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(jì)算就變得十分容易了，如方程式1所示： 　　每個(gè)變壓器的一次側(cè)電壓(VP)=橋接電壓/變壓器數(shù)=140V/2=70V 　　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(gè)一次繞組兩端的電壓 　　要計(jì)算反向降壓的電流輸出設(shè)定值，其中每個(gè)變壓器驅(qū)動兩個(gè)LED串，首先必須認(rèn)識到交替半周期中每個(gè)變壓器中只有一個(gè)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 電流的兩倍。理想LED電流為1A的這種情況下，每半個(gè)周期向LED和濾波器電容提供的電流為2A。 　　要計(jì)算降壓穩(wěn)壓器，設(shè)定電流值(ISet)如方程式2所示： 　　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(shí)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?yàn)楸仨氄{(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。