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

经过进一步观察发现，交叉连接仍然无法使电流相符，也无法避免任意的 LED开路或短路时会出现的进一步不平衡的状况。

图2 具有一个大的电流源的串并联阵列

图3 具有电阻器整流功能的串并联阵列

图4 具有交叉连接式LED串并联阵列

不平衡的电流会产生不平衡的热量，从而导致消耗过多电流的LED 的发光功效立即降低，并使其快速退化。LED 路灯必须产生光束模式为 Y 的 X 个流明数，且必须能正确工作数年之久。确保系统不只在第 1 天更能在随后的五年或 50,000 小时后仍能产生正确数量的光线的唯一方法是令每个LED串都有一个控制电流源。

多个降压稳压器

在开关稳压器当中，降压稳压器是有口皆碑的，因为它天生就适合用作电流源。降压稳压器也是最简单、最便宜且最省电的传统硬开关式拓朴结构，且很多不同的厂商都提供了从控制 IC 到完整模块的不同功率等级和配置的降压稳压器 LED 驱动器。具有多串 LED 的大功率 LED 驱动系统的传统解决方案，是为每串LED安装降压稳压器(如图 5 所示)。由于降压稳压器只能降低输出电压，因此只要使降压稳压器的输入电压低于所需的阈值，即可确保在次级上获得最大的直流电压。由于早前在电信领域的普及以及常见的 60V DC的次级限制， 48V DC 是目前流行的输入电压值。这同时也为每串 12 个串联的氮化铟镓 (InGaN)LED，提供了介于最小输入电压和最大输出电压(LED 串电压)之间合适的阈值。

图5 适用于每个串的专用降压稳压器。其所有VO

为每串 LED 安装降压稳压器的好处是能保证各串之间的电流相符，这对于要求较长使用寿命的高质量系统至关重要。每个降压稳压器均可通过 PWM 或线性调整 LED 电流来单独调节光暗。部分降压 LED 驱动器具有故障报告功能，所有降压稳压器均可设计成在一定的输出电压范围下提供较高的功率效率。如果发生故障，每个降压稳压器均可向系统微控制器报告，在保持其他降压稳压器继续工作的情况下，可以关闭一个或多个降压稳压器。

多个降压稳压器方案的缺点

为每串 LED 安装一个降压稳压器的第一大缺点是成本，尽管在路灯照明及高可靠性 HPWA 中，成本并非在消费产品中那样重要。每个降压稳压器需要一个功率电感器、一个输入电容器(在大多数情况下还需要一个肖特基整流器和一个用于感测电流的功率电阻器)，以及用于不同模拟功能的各种小电阻器和电容器。多个降压稳压器系统的第二大缺点(开关电源设计师会更为关注，其它人可能会忽视)，是当多个大功率开关稳压器全部从相同输入电源轨供电时会产生电磁干扰 (EMI)。所有开关稳压器在开关频率谐波上均会产生 EMI 和基本开关频率。当以相同电源为工作在几乎相同频率上的两个或多个转换器供电时，在输入端通常会出现额外的 EMI(称为拍频)。在接近的两个开关频率的总频率和差额频率上，均会产生拍频。降压稳压器提供完美符合 LED驱动需求 的平稳输出电流，但它带来大量非连续的输入电流脉冲，使其比升压稳压器更容易产生拍频。如果使开关频率保持同步，则可以消除干扰。但遗憾的是，大多数降压 LED 驱动器都不是固定频率的基于时钟的系统。非同步的迟滞和固定开路时间/固定断路时间 (COT) 控制更为常见，因为容易适应 LED 阵列的动态负载，同时也因为迟滞和 COT 控制可提供快速的转换率以获得最佳 的PWM 光暗调节性能。此解决方案需要非常周密的 PCB (印制板)布局，并要对每个降压稳压器进行大量的输入滤波。如图 6 中所示，在许多情况下需要分立式输入电感器，但即使不像消费产品那样对空间和成本有严格的控制，这些电感器仍是不受欢迎的。

图6 输入电感器和周密的PCB布局有助于避免拍频

结语

路灯与 HPWA 照明都不是首个面对是提高众多 LED 的功率还是将其合理布局到单个串联链中的僵局的应用。从移动电话的小 LCD 屏开始，到 GPS、汽车信息娱乐装置、便携式计算机，再到现在的大屏幕 LCD 电视，背光照明 LED已被用于越来越大的屏幕中。虽然降压稳压器统治着大功率 LED 驱动器市场，但升压稳压器与多个线性稳压器的配合使用，才是背光照明系统的理想选择。

本系列技术文章的第 II 部分，将探讨如何拓展此类此前仅用于40～60 mA 驱动电流下的 LED 驱动系统的范围与功率，以解决路灯与 HPWA 照明所面临的主要问题。