0 引言
手電筒,、MR - 16燈泡的升級(jí)換代、應(yīng)急燈以及幾乎任何低功率白光照明應(yīng)用都已經(jīng)在采用LED技術(shù),。
接下來(lái)路燈可能是LED 技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的下一個(gè)領(lǐng)域,。與手電筒和低功率應(yīng)用實(shí)例相比， LED路燈應(yīng)用也意味著更大的挑戰(zhàn),。
1 設(shè)計(jì)要求
LED路燈照明不會(huì)一蹴而就,， 因?yàn)樯杏兄卮蟮募夹g(shù)難題需要攻克。除了個(gè)別情況（如太陽(yáng)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(yùn)行鎮(zhèn)流器范圍較廣,。但因?yàn)榘l(fā)光元件的數(shù)目很少， 這種電路很簡(jiǎn)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(gè)。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(duì)于路燈來(lái)說(shuō),， 通常都需要采用100個(gè)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(dòng)器件,， 以350 mA 驅(qū)動(dòng)的1W 白光LED通常具有3. 0 V ~ 4. 0 V 的正向電壓VF,。LED是動(dòng)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(huì)導(dǎo)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(huì)發(fā)出很亮的光然后很快失效,。“驅(qū)動(dòng)器”這個(gè)術(shù)語(yǔ),， 被用來(lái)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(yīng)用需求顯然與之不同,， 因此， 長(zhǎng)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(shí)間最長(zhǎng)的商業(yè)光源,， 但如果燈可以持續(xù)使用數(shù)萬(wàn)小時(shí)，則與之匹配的驅(qū)動(dòng)器也必須能夠堅(jiān)持使用相同長(zhǎng)的時(shí)間。這意味著要更加留心電力驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)方面,，包括從系統(tǒng)架構(gòu)到每個(gè)電路元件的選擇,。
2 直流總線電壓
驅(qū)動(dòng)100個(gè)LED 的方法之一是采用單個(gè)串聯(lián)鏈，如圖1所示,。這可以確保經(jīng)過每個(gè)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(gè)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(dá)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(gè)LED串聯(lián)
驅(qū)動(dòng)100個(gè)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?fù)洌ㄈ缒嫦蜣D(zhuǎn)換器）可以構(gòu)成良好的AC - DC 級(jí)（ 通常稱作,？,？ 離線轉(zhuǎn)換器 ）， 因?yàn)樗鼈兛梢詫⒉浇倒δ芘c電流隔離和功率因數(shù)校正PFC 組合起來(lái),。直流總線電壓通常為60 V 或低于60 V,， 這一方面是因?yàn)樵陔娦艖?yīng)用中要48 V， 另一方面也是因?yàn)榘踩珬l例的規(guī)定（例如IEC 對(duì)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(dòng)器的拓?fù)?/strong>
?。?1）當(dāng)V IN 》 Vo時(shí)采用降壓， 輸出電容器為可選件,， 見圖2（ a） ;（ 2）當(dāng)V IN 《 Vo時(shí)采用升壓,， 輸出電容器為必需件， 見圖2（ b） ;（ 3）當(dāng)V IN 和V o重疊時(shí)采用降升壓,， 有許多拓?fù)洌?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(jí)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(jí)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(jì)師使用節(jié)約經(jīng)濟(jì)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?fù)渲校?降壓穩(wěn)壓器目前最適合驅(qū)動(dòng)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(jì)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器， 因?yàn)樽畲蟮碾娏髟谳敵龆耍?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(wú)源元件和控制IC， 從而構(gòu)成最經(jīng)濟(jì)的解決方案,。
4 排列LED和選取驅(qū)動(dòng)器IC
針對(duì)該示例中的設(shè)計(jì),， 將使用100 個(gè)1 W 的LED。選擇48 V 的中間直流總線是一個(gè)明智之舉,， 因?yàn)橛鞋F(xiàn)成且輸出功率選擇范圍廣泛的AC - DC 電源可供選用,。一個(gè)48 ？ （ 1 # 5% ） V 的降壓LED 驅(qū)動(dòng)器可用來(lái)驅(qū)動(dòng)10個(gè)串聯(lián)的LED,。10個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器可以構(gòu)成明亮的燈,， 可以用來(lái)運(yùn)行所有的100個(gè)LED，而無(wú)需使用危險(xiǎn)的電壓,。半導(dǎo)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(jìn)行分類。對(duì)于保持一致的顏色和光輸出來(lái)說(shuō),， 按色溫和光通量分類很重要,， 但對(duì)LED 分類的規(guī)格越高， 成本也就越高,。當(dāng)使用各種檔次的LED 時(shí),， LED 燈的設(shè)計(jì)必須適用于較寬的正向電壓范圍。因此每個(gè)LED 驅(qū)動(dòng)器將被設(shè)計(jì)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(gè)LED的VF的可能變化范圍在3. 0 V ~ 4. 0 V,?！ ?img alt="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110601/0e2e1408-cc46-4fab-b5f0-f81319bc2fe9.jpg" />
圖3 簡(jiǎn)化的系統(tǒng)架構(gòu)
LM3402HV 是一個(gè)具有內(nèi)部功率N - MOSFET 的降壓型穩(wěn)壓器,， 運(yùn)行電壓高達(dá)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(dòng)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(gè)LM3402HV 的完整電路,。 
圖4 詳細(xì)的LM3402HV 電路
5 采用降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)難題
當(dāng)使用降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)LED時(shí),， 最主要的設(shè)計(jì)難題是如何處理當(dāng)輸入電壓最低時(shí)輸出電壓卻最高的情況,。和許多開關(guān)穩(wěn)壓器相似， LM3402HV 無(wú)法無(wú)限地打開它的內(nèi)部功率N - MOSFET,。在每個(gè)開關(guān)周期中,， 穩(wěn)壓器必須關(guān)閉300 ns（最短關(guān)斷時(shí)間） ， 以便刷新,？,？自舉 電容器， 該電容器是驅(qū)動(dòng)內(nèi)部功率FET 的電路的一部分,。最短關(guān)斷時(shí)間是固定的,， 由于300 ns占據(jù)開關(guān)周期的比例會(huì)越來(lái)越大， 因此可以獲得的最大占空比會(huì)隨著開關(guān)頻率的提高而下降,。以下這個(gè)示例,， 將基于40 V 的VO - MAX 和45 V 的V IN -M IN， 計(jì)算可能的最高開關(guān)頻率fSW -M AX,。下面的等式可用來(lái)計(jì)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?？梢栽诠β试锢沓叽纾ㄈ珉姼衅鳎?當(dāng)開關(guān)頻率越高時(shí)會(huì)越?。┡c功率效率（當(dāng)開關(guān)頻率越低時(shí)會(huì)越高）之間取得較好的平衡,。
在本示例中， 無(wú)法使用500 kH z,， 因此將使用370 kH z,。
這將確保LED驅(qū)動(dòng)器的元件盡可能最小， 同時(shí)在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅(qū)動(dòng)所有10個(gè)LED,。
6 避免串并聯(lián)陷阱
許多工程師會(huì)考慮由一個(gè)電流源驅(qū)動(dòng)的串并聯(lián)陣列,， 如圖5所示。對(duì)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(gè)電流源,。
圖5 交叉連接的串并聯(lián)陣列
這個(gè)方案實(shí)際上并不實(shí)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(lái)自驅(qū)動(dòng)器的3. 5 A 將永遠(yuǎn)無(wú)法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴(yán)格地按照VF對(duì)LED進(jìn)行分類,， 以此來(lái)改善電流不匹配,， 但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 度 （進(jìn)行分類的溫度）時(shí)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度 時(shí)電流完美匹配的陣列在達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí),， 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(huì)上升,。
那些VF下降較多的LED 會(huì)抽取更多電流,， 導(dǎo)致其晶粒更熱， 從而導(dǎo)致VF進(jìn)一步下降,。
圖6 串并聯(lián)陣列故障響應(yīng)較差
路燈設(shè)計(jì)師不采用串并聯(lián)方法的第二個(gè)原因是LED發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)可靠性會(huì)變得很差,。當(dāng)LED 發(fā)生故障變?yōu)殚_路時(shí)， 圖6中所示的電流源將繼續(xù)輸出全部電流,， 會(huì)使增加的電流經(jīng)過其余路徑,。LED 發(fā)生故障時(shí)也可能變?yōu)槎搪罚?這會(huì)導(dǎo)致陣列的電壓大幅下降， 造成不平衡,。電流的任何不平衡會(huì)導(dǎo)致陣列中的其他LED過熱,， 短時(shí)間內(nèi)會(huì)減少光輸出， 長(zhǎng)時(shí)間會(huì)降低流明維持率,， 這會(huì)導(dǎo)致燈過早變暗或報(bào)廢,。因此，為了獲得可靠的LED 光源,， 每個(gè)LED 串應(yīng)該有它自己專用的電流源（或電流庫(kù)）,。
7 小結(jié)
在許多消費(fèi)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(diǎn)都無(wú)法彌補(bǔ)其初始購(gòu)買價(jià)格較高這一缺憾。路燈照明的情況則明顯不同。因?yàn)長(zhǎng)ED 路燈照明具有較長(zhǎng)的壽命,， 高可控性,， 非常符合政府的需要,， 而且也便于政府評(píng)估LED路燈的擁有成本與初始購(gòu)買價(jià)格,。由于配備了良好的散熱設(shè)備和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)電路， 這是LED 路燈方案的價(jià)值所在,。筆者提出的驅(qū)動(dòng)器解決方案,， 很好地達(dá)到了較高的初始成本與延長(zhǎng)使用壽命之間的平衡。每個(gè)路燈可以控制它的光輸出,、響應(yīng)并報(bào)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),。