0  引言

　　手電筒,、MR - 16燈泡的升級換代,、應急燈以及幾乎任何低功率白光照明應用都已經(jīng)在采用LED技術(shù)。

　　接下來路燈可能是LED 技術(shù)大規(guī)模應用的下一個領(lǐng)域,。與手電筒和低功率應用實例相比,， LED路燈應用也意味著更大的挑戰(zhàn)。

　　1  設(shè)計要求

　　LED路燈照明不會一蹴而就,， 因為尚有重大的技術(shù)難題需要攻克,。除了個別情況（如太陽能電池）， 路燈的輸入采用交流電源（通常被稱作“離線” ） , 大多是120 V或230 V 交流電,。就熒光燈燈管和高壓放電燈而言,， 它們可選的離線運行鎮(zhèn)流器范圍較廣。但因為發(fā)光元件的數(shù)目很少,， 這種電路很簡單,。很少有熒光燈有四條以上的燈管， 而高壓放電燈采用的元件至少超過一個。然而LED 則大不相同,， 即使包括“大功率” LED在內(nèi),， 大多數(shù)的功率只有0. 5W ~ 5W。盡管有一些例外的情況,， 但對于路燈來說,， 通常都需要采用100個或更多1W 的LED 才能發(fā)出其所需的數(shù)千流明的光。

　　LED 是電流驅(qū)動器件,， 以350 mA 驅(qū)動的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向電壓VF,。LED是動態(tài)電阻非常小的PN結(jié)二極管。給二極管施加超過VF三倍的電壓會導致電流量不受控制,。如果將LED 直接連接到離線交流電壓,， 它會發(fā)出很亮的光然后很快失效。“驅(qū)動器”這個術(shù)語,， 被用來形容將離線電壓轉(zhuǎn)換為受控直流電流的功率調(diào)節(jié)電路,。手電筒在被用壞之前很可能早已丟失。而路燈的應用需求顯然與之不同,， 因此,， 長期的可靠性和產(chǎn)品使用壽命是路燈的主要考慮因素。LED 已被宣傳為持續(xù)時間最長的商業(yè)光源,， 但如果燈可以持續(xù)使用數(shù)萬小時,，則與之匹配的驅(qū)動器也必須能夠堅持使用相同長的時間。這意味著要更加留心電力驅(qū)動器的各個方面,，包括從系統(tǒng)架構(gòu)到每個電路元件的選擇,。

　　2  直流總線電壓

　　驅(qū)動100個LED 的方法之一是采用單個串聯(lián)鏈，如圖1所示,。這可以確保經(jīng)過每個LED 的電流相同,。

　　此外由于光線輸出與電流成正比， 所以這是保證每個器件發(fā)出相同光輸出的最佳方法,。然而問題在于直流電壓很容易達到400 V,。這樣高的電壓可能是致命的， 而且還需要較大且昂貴的元件,。

圖1  所有100個LED串聯(lián)

　　驅(qū)動100個LED 的另一種方法是采用較低的直流電壓,。眾所周知， 成本高的拓撲（如逆向轉(zhuǎn)換器）可以構(gòu)成良好的AC - DC 級（ 通常稱作,？,？ 離線轉(zhuǎn)換器 ）， 因為它們可以將步降功能與電流隔離和功率因數(shù)校正PFC 組合起來,。直流總線電壓通常為60 V 或低于60 V, 這一方面是因為在電信應用中要48 V, 另一方面也是因為安全條例的規(guī)定（例如IEC 對安全超低電壓的定義）,。48 V 配電電壓比數(shù)字電路的邏輯電壓高,， 比整流的離線電壓低， 所以它通常被稱作"中間直流總線",。

　　3  DC- DC LED驅(qū)動器的拓撲

　?。?1）當V IN > Vo時采用降壓， 輸出電容器為可選件,， 見圖2（ a） ;（ 2）當V IN < Vo時采用升壓,， 輸出電容器為必需件， 見圖2（ b） ;（ 3）當V IN 和V o重疊時采用降升壓,， 有許多拓撲,， 見圖2（ c）。

圖2 非隔離轉(zhuǎn)換器的三種主要類型

　　DC- DC 轉(zhuǎn)換器是LED 電源最后一級的自然選擇,。LED需要直流電流,， 因此電壓輸出也為直流。由于前一級已考慮了整流,、PFC 和隔離的因素,， 采用中間直流總線可以使設(shè)計師使用節(jié)約經(jīng)濟的非隔離DC- DC 轉(zhuǎn)換器。非隔離轉(zhuǎn)換器分為三種主要類型： 步壓或降壓,、步升或升壓以及步升/步降或降升壓,。圖2中描繪了這三種類型。在這些拓撲中,， 降壓穩(wěn)壓器目前最適合驅(qū)動LED, 原因如下： 首先,， 降壓電感在輸出端， 這意味著LED電流和電感電流的平均值相同,； 而且,， 輸出電流始終被電感明確控制； 其次,， 步降電壓是功率轉(zhuǎn)換的最高效形式， 這使降壓器在所有開關(guān)轉(zhuǎn)換器中功率效率最高,； 第三,， 降壓器是最經(jīng)濟的開關(guān)轉(zhuǎn)換器， 因為最大的電流在輸出端,， 最高的電壓在輸入端,。由此， 在由功率MOSFET和二極管構(gòu)成的開關(guān)轉(zhuǎn)化器上,， 這些功率轉(zhuǎn)換器件所獲得電流和電壓就最小,。這就意味著可以廣泛地選擇電源開關(guān)、無源元件和控制IC, 從而構(gòu)成最經(jīng)濟的解決方案,。

　　4  排列LED和選取驅(qū)動器IC

　　針對該示例中的設(shè)計,， 將使用100 個1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線是一個明智之舉， 因為有現(xiàn)成且輸出功率選擇范圍廣泛的AC - DC 電源可供選用,。一個48 ? （ 1 # 5% ） V 的降壓LED 驅(qū)動器可用來驅(qū)動10個串聯(lián)的LED,。10個這樣的驅(qū)動器可以構(gòu)成明亮的燈， 可以用來運行所有的100個LED,而無需使用危險的電壓,。半導體制造商按照光通量,、相關(guān)色溫CCT和正向電壓將他們的白光LED進行分類。對于保持一致的顏色和光輸出來說,， 按色溫和光通量分類很重要,， 但對LED 分類的規(guī)格越高， 成本也就越高,。當使用各種檔次的LED 時,， LED 燈的設(shè)計必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個LED 驅(qū)動器將被設(shè)計為350 mA 電流源,， 可以從45 V ~ 51 V的輸入電壓產(chǎn)生30 V ~ 40 V 的輸出電壓范圍,， 從而使每個LED的VF的可能變化范圍在3. 0 V ~ 4. 0 V。

圖3  簡化的系統(tǒng)架構(gòu)

　　LM3402HV 是一個具有內(nèi)部功率N - MOSFET 的降壓型穩(wěn)壓器,， 運行電壓高達75 V, 由于其最低過熱電流限制為530mA, 因此也非常適合350 mA輸出電流,， 如有必要足以驅(qū)動紋波電流范圍較寬的LED。圖3顯示了系統(tǒng)架構(gòu),， 圖4顯示了每個LM3402HV 的完整電路,。

圖4  詳細的LM3402HV 電路

　　5  采用降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計難題

　　當使用降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時， 最主要的設(shè)計難題是如何處理當輸入電壓最低時輸出電壓卻最高的情況,。和許多開關(guān)穩(wěn)壓器相似,， LM3402HV 無法無限地打開它的內(nèi)部功率N - MOSFET。在每個開關(guān)周期中,， 穩(wěn)壓器必須關(guān)閉300 ns（最短關(guān)斷時間） , 以便刷新,？？自舉 電容器,， 該電容器是驅(qū)動內(nèi)部功率FET 的電路的一部分,。最短關(guān)斷時間是固定的， 由于300 ns占據(jù)開關(guān)周期的比例會越來越大,， 因此可以獲得的最大占空比會隨著開關(guān)頻率的提高而下降,。以下這個示例， 將基于40 V 的VO - MAX 和45 V 的V IN -M IN, 計算可能的最高開關(guān)頻率fSW -M AX,。下面的等式可用來計算f SW - MAX,。

　　LM3402HV 的典型開關(guān)頻率范圍為50 kH z~ 1MHz, 且采用500 kH z, 通常可以在功率元件物理尺寸（如電感器,， 當開關(guān)頻率越高時會越?。┡c功率效率（當開關(guān)頻率越低時會越高）之間取得較好的平衡,。

　　在本示例中， 無法使用500 kH z, 因此將使用370 kH z,。

　　這將確保LED驅(qū)動器的元件盡可能最小,， 同時在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅(qū)動所有10個LED。

　　6  避免串并聯(lián)陷阱

　　許多工程師會考慮由一個電流源驅(qū)動的串并聯(lián)陣列,， 如圖5所示,。對于本示例而言， 電路將成為以相同的30 V ~ 40 V 輸出電壓輸出3. 5 A 的單個電流源,。

圖5  交叉連接的串并聯(lián)陣列

　　這個方案實際上并不實用,。首先， 即使如圖5中所示那樣交叉連接,， 不同LED 的VF之間存在自然差異,， 這意味著來自驅(qū)動器的3. 5 A 將永遠無法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴格地按照VF對LED進行分類,， 以此來改善電流不匹配,， 但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 ? （進行分類的溫度）時有效。一旦晶粒溫度上升,， VF開始下降,。而且如同VF本身一樣， 不同LED的電壓隨溫度變化的情況也不相同,。在25 ? 時電流完美匹配的陣列在達到熱穩(wěn)態(tài)時,， 將再次變得不平衡。更為糟糕的是,， LED 電流之間存在正反饋回路,， 正向電壓下降， 晶粒溫度會上升,。

　　那些VF下降較多的LED 會抽取更多電流,， 導致其晶粒更熱， 從而導致VF進一步下降,。

圖6  串并聯(lián)陣列故障響應較差

　　路燈設(shè)計師不采用串并聯(lián)方法的第二個原因是LED發(fā)生故障時系統(tǒng)可靠性會變得很差,。當LED 發(fā)生故障變?yōu)殚_路時， 圖6中所示的電流源將繼續(xù)輸出全部電流,， 會使增加的電流經(jīng)過其余路徑。LED 發(fā)生故障時也可能變?yōu)槎搪罚?這會導致陣列的電壓大幅下降,， 造成不平衡,。電流的任何不平衡會導致陣列中的其他LED過熱， 短時間內(nèi)會減少光輸出,， 長時間會降低流明維持率,， 這會導致燈過早變暗或報廢,。因此，為了獲得可靠的LED 光源,， 每個LED 串應該有它自己專用的電流源（或電流庫）,。

　　7  小結(jié)

　　在許多消費類照明領(lǐng)域， 白熾燈泡,、熒光燈管等現(xiàn)有技術(shù)的成本非常低,， 以致于LED 照明的許多優(yōu)點都無法彌補其初始購買價格較高這一缺憾。路燈照明的情況則明顯不同,。因為LED 路燈照明具有較長的壽命,， 高可控性， 非常符合政府的需要,， 而且也便于政府評估LED路燈的擁有成本與初始購買價格,。由于配備了良好的散熱設(shè)備和強大的驅(qū)動電路， 這是LED 路燈方案的價值所在,。筆者提出的驅(qū)動器解決方案,， 很好地達到了較高的初始成本與延長使用壽命之間的平衡。每個路燈可以控制它的光輸出,、響應并報告故障,， 以及與相鄰路燈通信， 從而為社區(qū)提供高效,、可靠的服務(wù),。