驱动高功率LED照明应用的一种新方法

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 42V RMS 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。

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 1 简单的降压稳压器

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