模块化结构的高性能大功率LED驱动解决方案

0 引言

手电筒、MR - 16灯泡的升级换代、应急灯以及几乎任何低功率白光照明应用都已经在采用LED技术。

接下来路灯可能是LED 技术大规模应用的下一个领域。与手电筒和低功率应用实例相比， LED路灯应用也意味着更大的挑战。

1 设计要求

LED路灯照明不会一蹴而就， 因为尚有重大的技术难题需要攻克。除了个别情况(如太阳能电池)， 路灯的输入采用交流电源(通常被称作“离线” ) ， 大多是120 V或230 V 交流电。就荧光灯灯管和高压放电灯而言， 它们可选的离线运行镇流器范围较广。但因为发光元件的数目很少， 这种电路很简单。很少有荧光灯有四条以上的灯管， 而高压放电灯采用的元件至少超过一个。然而LED 则大不相同， 即使包括“大功率” LED在内， 大多数的功率只有0. 5W ~ 5W。尽管有一些例外的情况， 但对于路灯来说， 通常都需要采用100个或更多1W 的LED 才能发出其所需的数千流明的光。

LED 是电流驱动器件， 以350 mA 驱动的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向电压VF。LED是动态电阻非常小的PN结二极管。给二极管施加超过VF三倍的电压会导致电流量不受控制。如果将LED 直接连接到离线交流电压， 它会发出很亮的光然后很快失效。“驱动器”这个术语， 被用来形容将离线电压转换为受控直流电流的功率调节电路。手电筒在被用坏之前很可能早已丢失。而路灯的应用需求显然与之不同， 因此， 长期的可靠性和产品使用寿命是路灯的主要考虑因素。LED 已被宣传为持续时间最长的商业光源， 但如果灯可以持续使用数万小时，则与之匹配的驱动器也必须能够坚持使用相同长的时间。这意味着要更加留心电力驱动器的各个方面，包括从系统架构到每个电路元件的选择。

2 直流总线电压

驱动100个LED 的方法之一是采用单个串联链，如图1所示。这可以确保经过每个LED 的电流相同。

此外由于光线输出与电流成正比， 所以这是保证每个器件发出相同光输出的最佳方法。然而问题在于直流电压很容易达到400 V。这样高的电压可能是致命的， 而且还需要较大且昂贵的元件。

驱动100个LED 的另一种方法是采用较低的直流电压。众所周知， 成本高的拓扑(如逆向转换器)可以构成良好的AC - DC 级， 因为它们可以将步降功能与电流隔离和功率因数校正PFC 组合起来。直流总线电压通常为60 V 或低于60 V， 这一方面是因为在电信应用中要48 V， 另一方面也是因为安全条例的规定(例如IEC 对安全超低电压的定义)。48 V 配电电压比数字电路的逻辑电压高， 比整流的离线电压低， 所以它通常被称作“中间直流总线”。

3 DC- DC LED驱动器的拓扑

( 1)当Vin >> Vo时采用降压， 输出电容器为可选件， 见图2( a) ;

( 2)当Vin

( 3)当Vin和Vo重叠时采用降升压， 有许多拓扑， 见图2( c)。

图2 非隔离转换器的三种主要类型

DC- DC 转换器是LED 电源最后一级的自然选择。LED需要直流电流， 因此电压输出也为直流。由于前一级已考虑了整流、PFC 和隔离的因素， 采用中间直流总线可以使设计师使用节约经济的非隔离DC- DC 转换器。非隔离转换器分为三种主要类型： 步压或降压、步升或升压以及步升/步降或降升压。图2中描绘了这三种类型。在这些拓扑中， 降压稳压器目前最适合驱动LED， 原因如下： 首先， 降压电感在输出端， 这意味着LED电流和电感电流的平均值相同; 而且， 输出电流始终被电感明确控制; 其次， 步降电压是功率转换的最高效形式， 这使降压器在所有开关转换器中功率效率最高; 第三， 降压器是最经济的开关转换器， 因为最大的电流在输出端， 最高的电压在输入端。由此， 在由功率MOSFET和二极管构成的开关转化器上， 这些功率转换器件所获得电流和电压就最小。这就意味着可以广泛地选择电源开关、无源元件和控制IC， 从而构成最经济的解决方案。

4 排列LED和选取驱动器IC

针对该示例中的设计， 将使用100 个1 W 的LED。选择48 V 的中间直流总线是一个明智之举， 因为有现成且输出功率选择范围广泛的AC - DC 电源可供选用。一个48 V 的降压LED 驱动器可用来驱动10个串联的LED。10个这样的驱动器可以构成明亮的灯， 可以用来运行所有的100个LED，而无需使用危险的电压。半导体制造商按照光通量、相关色温CCT和正向电压将他们的白光LED进行分类。对于保持一致的颜色和光输出来说， 按色温和光通量分类很重要， 但对LED 分类的规格越高， 成本也就越高。当使用各种档次的LED 时， LED 灯的设计必须适用于较宽的正向电压范围。因此每个LED 驱动