需要大量LED的路燈照明方案,第1部分:系統需求和現有解決方案

概述

LED背光照明與通用照明使用不同類型的LED，許多通用照明應用僅使用不超過10個大功率LED(如1WLED)，而背光照明則需使用幾百甚至數千個小型LED，這些LED功率在50mw至200 mW間。這意味著目前為止所用的LED驅動器類型有很大的差別。其系統架構同樣也差異巨大。但隨著路燈照明(以及停車場照明、倉庫照明等)的出現，這兩個應用領域有了相似點，這是由于路燈照明中，高功率大面積照明(HPWA)所需的總輸出功率大大高于燈泡或熒光燈管的改良產品，因此需要使用大量LED。背光照明LED驅動器可為每串LED提供線性電流源，并通過使用可動態調整電壓輸出的開關電源來提高功率效率，從而解決了如何控制串并聯陣列中大量LED的難題。直到現在，此類系統每通道的電流仍被限制在100 mA左右。美國國家半導體依循該設計理念，但同時將每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性戶外照明(也稱為路燈照明)所需的控制和保護功能。

簡介

考慮到經過巧妙設計的LED路燈所具有的長期購置成本優勢，政府機構比個人消費者更容易選擇LED裝置，因此越來越多的城鎮正在考慮并安裝LED路燈。用于公共道路的路燈照明受眾多標準的制約(特別在調整最低和最高光線輸出及光束橫式上)。這些規定因地而異，但它們都要求更高的光通量，因此，相對于一些常見的LED設計，如燈泡(總計300～600流明)或改良的T8熒光燈管(1000～4000流明，視長度而定)需要更高的功率。一盞路燈通常可要求10，000流明或更高的最低光線輸出。相對地，以20～40mA正向電流工作的小型LED的每瓦流明數表現更好，但它有兩個明顯缺點：第一，需要幾千個小型的LED才能滿足所需的總流明數，因數量龐大而帶來了可靠性問題：第二，大量小型LED有利于光線在大的表面上均勻地傳播，但路燈照明的控制光束要求需要透鏡在與點光源配合工作時具有最高的效率。目前市面上的單裸片LED的功率高達10W，這從光學角度上看的確很好，但要將如此多傳導所產生的熱量從很小的面積散發出去，絕非輕而易舉。該熱量會導致更難獲得預期的很高的每瓦流明數。目前LED路燈通常會使用50～200個驅動電流為350 mA的LED，因為該數目意味著發光效率與所需LED總數間的最佳平衡。

背光照明技術可以解決如何以高效、簡單且經濟的方式來驅動眾多1W LED的問題。但是。要利用背光照明技術，實現“將功率提高”至本系列第1部分中HPWA應用所需的等級，則需權衡系統需求和現有解決方案的利弊。

健用單個串聯串

LED光線輸出主要與正向電流成正比。為了確保光線輸出的LED在給定數量內，最簡單的解決方案是將LED全部串聯。這種單個串聯串解決方案存在的主要問題是，只要其中一個LED故障開路，就會讓整個燈熄滅。現在LED已經變得更堅固耐用，許多LED具有反并聯奇納二極管或閘流晶體管，可將潛在的開路故障轉換成類似于短路的情況。對于沒有內置保護功能的LED，現在很多電子器件制造商可以提供與每個LED反并聯的分離式硅控整流器(sCR)鉗位。既然開路故障可以強制轉換成類似于短路的故障，因此不必擔心單個器件會導致整個燈出現問題，取而代之的，新的關注點在于判斷多少個LED發生故障會導致整個燈泡的維修。圖1示意了使用LM3409／09HV降壓LED驅動器的高可靠性單串系統。

對單串解決方案而言，更為重要的是總驅動電壓v值。氮化銦鎵技術的改進之處是使1W LED的正向電壓接近于3.0V，但經過正向電壓盒的分配后，每個器件3.3V的v是合理的預估值。將50個這樣的LED串聯在一起，總驅動電壓為v=n×v即16SV。可接受的最大v值主要取決于IEC、UL或VDE等安全標準。例如，為了滿足安全性超低電壓IEC規格，系統必須具有變壓器隔離的輸出，且次級系統上的最大直流電壓值必須小于120V。所有可用的燈都會享有SELV認證所帶來的巨大好處，因此，LED驅動設計師通常會因較高的v而放棄單串解決方案，并忽視可確保每個LED的驅動電流都相同的好處。

串并聯

當需要具有限定次級電壓的隔離式系統時。唯一的選擇是采用多個LED串。雖然該系統試圖采用一個大的電流源(如圖2中所示)或增加串聯功率電阻器(如圖3中所示)，但這些都不是適用于路燈的解決方案，因為它們無法確保不同串之間的驅動電流相等。圖4所示的交叉連接有時被視為平衡電流，及／或在發生開路故障時避免一整串燈變暗的有效方式，但這也僅僅是使每行LED的電壓保持為鉗位值。經過進一步觀察發現，交叉連接仍然無法使電流相符、也無法避免任意的LED開路或短路時會出現的進一步不平衡的狀況。

不平衡的電流會產生不平衡的熱量。從而導致消耗過多電流的LED的發光功效立即降低，并使其快速退化。LED路燈必須產生光束模式為Y的x個流明數，且必須能正確工作數年之久。確保系統不只在第1天更能在隨后的五年或50，000小時后仍能產生正確數量的光線的唯一方法是令每個LED旱都有一個控制電流源。

多個降壓穩壓器

在開關穩壓器當中，降壓穩壓器是有口皆碑的，因為它天生就適合用作電流源。降壓穩壓器也是最簡單、最便宜且最省電的傳統硬開關式拓樸結構，且很多不同的廠商都提供了從控制IC到完整模塊的不同功率等級和配置的降壓穩壓器LED驅動器。具有多串LED的大功率LED驅動系統的傳統解決方案，是為每串LED安裝降壓穩壓器(如圖5所示)。由于降壓穩壓器只能降低輸出電壓，因此只要使降壓穩壓器的輸入電壓低于所需的閾值，即可確保在次級上獲得最大的直流電壓。由于早前在電信領域的普及以及常見的60V DC的次級限制，48V DC是目前流行的輸入電壓值。這同時也為每串12個串聯的氮化銦鎵(InGaN)LED，提供了介于最小輸入電壓和最大輸出電壓(LED串電壓)之間合適的閾值。

為每串LED安裝降壓穩壓器的好處是能保證各串之間的電流相符，這對于要求較長使用壽命的高質量系統至關重要。每個降壓穩壓器均可通過PWM或線性調整LED電流來單獨調節光暗。部分降壓LED驅動器具有故障報告功能，所有降壓穩壓器均可設計成在一定的輸出電壓范圍下提供較高的功率效率。如果發生故障，每個降壓穩壓器均可向系統微控制器報告，在保持其他降壓穩壓器繼續工作的情況下，可以關閉一個或多個降壓穩壓器。

多個降壓穩壓器方案的缺點

為每串LED安裝一個降壓穩壓囂的第一大缺點是成本，盡管在路燈照明及高可靠性HPWA中，成本并非在消費產品中那樣重要。每個降壓穩壓器需要一個功率電感器、一個輸入電容器(在大多數情況下還需要一個肖特基整流器和一個用于感測電流的功率電阻器)，以及用于不同模擬功能的各種小電阻器和電容器。多個降壓穩壓器系統的第二大缺點(開關電源設計師會更為關注，其它人可能會忽視)，是當多個大功率開關穩壓器全部從相同輸入電源軌供電時會產生電磁干擾(EMI)。所有開關穩壓器在開關頻率諧波上均會產生EMI和基本開關頻率。當以相同電源為工作在幾乎相同頻率上的兩個或多個轉換器供電時，在輸入端通常會出現額外的EMI(稱為拍頻)。在接近的兩個開關頻率的總頻率和差額頻率上，均會產生拍頻。降壓穩壓器提供完美符合LED驅動需求的平穩輸出電流，但它帶來大量非連續的輸入電流脈沖，使其比升壓穩壓器更容易產生拍頻。如果使開關頻率保持同步，則可以消除干擾。但遺憾的是，大多數降壓LED驅動器都不是固定頻率的基于時鐘的系統。非同步的遲滯和固定開路時間／固定斷路時間(cOT)控制更為常見。因為容易適應LED陣列的動態負載，同時也因為遲滯和COT控制可提供快速的轉換率以獲得最佳的PWM光暗調節性能。此解決方案需要非常周密的PCB(印制板)布局，并要對每個降壓穩壓器進行大量的輸入濾波。如圖6中所示，在許多情況下需要分立式輸入電感器，但即使不像消費產品那樣對空間和成本有嚴格的控制，這些電感器仍是不受歡迎的。

結語

路燈與HPWA照明都不是首個面對是提高眾多LED的功率還是將其合理布局到單個串聯鏈中的僵局的應用。從移動電話的小LCD屏開始，到GPS、汽車信息娛樂裝置、便攜式計算機，再到現在的大屏幕LCD電視，背光照明LED已被用于越來越大的屏幕中。雖然降壓穗壓器統治著大功率LED驅動器市場，但升壓穩壓器與多個線性穩壓器的配合使用，才是背光照明系統的理想選擇。

本系列技術文章的第11部分。將探討如何拓展此類此前僅用于40～60mA驅動電流下的LED驅動系統的范圍與功率，以解決路燈與HPWA照明所面臨的主要問題。