详细解析一款驱动高功率LED照明应用的新方法

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。 　　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42VRMS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。 图1　简单的降压稳压器 　　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降压运行的PWM控制器。 　　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。 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MOSFET、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，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，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=70V 　　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： 　　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。