需要大量LED的路灯照明方案 第I部分: 系统需求和现有解决方案

概述

LED 背光照明与通用照明使用不同类型的LED，许多通用照明应用仅使用不超过 10 个大功率 LED(如 1W LED)，而背光照明则需使用几百甚至数千个小型LED，这些LED功率在 50 mW至 200 mW间。这意味着目前为止所用的 LED 驱动器类型有很大的差别，其系统架构同样也差异巨大。但随着路灯照明(以及停车场照明、仓库照明等)的出现，这两个应用领域有了相似点，这是由于路灯照明中，高功率大面积照明(HPWA)所需的总输出功率大大高于灯泡或荧光灯管的改良产品，因此需要使用大量 LED。背光照明 LED 驱动器可为每串 LED 提供线性电流源，并通过使用可动态调整电压输出的开关电源来提高功率效率，从而解决了如何控制串并联阵列中大量 LED 的难题。直到现在，此类系统每通道的电流仍被限制在100 mA左右。美国国家半导体依循该设计理念，但同时将每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性户外照明(也称为路灯照明)所需的控制和保护功能。

简介

考虑到经过巧妙设计的 LED 路灯所具有的长期购置成本优势，政府机构比个人消费者更容易选择LED装置，因此越来越多的城镇正在考虑并安装 LED 路灯。用于公共道路的路灯照明受众多标准的制约(特别在调整最低和最高光线输出及光束模式上)。这些规定因地而异，但它们都要求更高的光通量，因此，相对于一些常见的LED设计，如灯泡(总计300～600 流明)或 改良的T8 荧光灯管(1000～4000 流明，视长度而定)需要更高的功率。一盏路灯通常可要求10,000 流明或更高的最低光线输出，相对地，以 20 ～ 40 mA 正向电流工作的小型 LED 的每瓦流明数表现更好，但它有两个明显缺点：第一，需要几千个小型的 LED 才能满足所需的总流明数，因数量庞大而带来了可靠性问题;第二，大量小型 LED 有利于光线在大的表面上均匀地传播，但路灯照明的控制光束要求需要透镜在与点光源配合工作时具有最高的效率。目前市面上的单裸片 LED 的功率高达 10W，这从光学角度上看的确很好，但要将如此多传导所产生的热量从很小的面积散发出去，绝非轻而易举。该热量会导致更难获得预期的很高的每瓦流明数。目前 LED 路灯通常会使用 50～200 个驱动电流为 350 mA 的 LED，因为该数目意味着发光效率与所需 LED 总数间的最佳平衡。

背光照明技术可以解决如何以高效、简单且经济的方式来驱动众多 1W LED的问题。但是，要利用背光照明技术，实现“将功率提高”至本系列第 I 部分中 HPWA 应用所需的等级，则需权衡系统需求和现有解决方案的利弊。

使用单个串联串

LED 光线输出主要与正向电流成正比。为了确保光线输出的LED在给定数量 内，最简单的解决方案是将LED 全部串联。这种单个串联串解决方案存在的主要问题是，只要其中一个 LED 故障开路，就会让整个灯熄灭。现在 LED 已经变得更坚固耐用，许多 LED 具有反并联奇纳二极管或闸流晶体管，可将潜在的开路故障转换成类似于短路的情况。对于没有内置 保护功能的LED，现在很多电子器件制造商可以提供与每个 LED 反并联的分离式硅控整流器 (SCR) 钳位。既然开路故障可以强制转换成类似于短路的故障，因此不必担心单个器件会导致整个灯出现问题，取而代之的，新的关注点在于判断多少个 LED 发生故障会导致整个灯泡的维修。图 1示意了使用 LM3409/09HV 降压 LED 驱动器的高可靠性单串系统。

图1 具有单串LED的高可靠性降压驱动器

对单串解决方案而言，更为重要的是总驱动电压 VO值。氮化铟镓技术的改进之处是使 1W LED 的正向电压接近于 3.0V，但经过正向电压盒的分配后，每个器件3.3V的 VF 是合理的预估值。将 50 个这样的 LED 串联在一起，总驱动电压 为VO = n × VF 即 165V。可接受的最大 VO值主要取决于 IEC、UL 或 VDE 等安全标准。例如，为了满足安全性超低电压IEC 规格，系统必须具有变压器隔离的输出，且次级系统上的最大直流电压值必须小于 120V。所有可用的灯都会享有 SELV 认证所带来的巨大好处，因此，LED 驱动设计师通常会因较高的 VO 而放弃单串解决方案，并忽视可确保每个 LED 的驱动电流都相同的好处。

串并联

当需要具有限定次级电压的隔离式系统时，唯一的选择是采用多个 LED串。虽然该系统试图采用一个大的电流源(如图 2 中所示)或增加串联功率电阻器(如图 3 中所示)，但这些都不是适用于路灯的解决方案，因为它们无法确保不同串之间的驱动电流相等。图 4 所示的交叉连接有时被视为平衡电流，及/或在发生开路故障时避免一整串灯变暗的有效方式，但这也仅仅是使每行 LED 的电压保持为钳位值。