需要大量LED的路燈照明方案第Ⅱ部分:背光照明快速成長將主導路燈照明技術

摘要:與第1部分中詳細介紹的多個降壓穩壓器解決方案相比，利用可變輸出電壓為一系列線性穩壓器供電的單個大型開關穩壓器具有多個優點，其在移動電話、筆記本電腦及GPS設備中，所需的物理空間與成本都較低例如LM 3464可以控制多達四個作為電源線性穩壓器的外部電源N-MOSFET。

關鍵詞:LED;路燈照明;可變輸出;背光照明;HPWA

本系列的第1部分闡釋了電子工程師在使用s0～200個1W LED進行路燈設計時所面臨的主要挑戰。這些挑戰包括:將總輸出電壓控制在某個安全限定范圍內，使串并聯LED陣列中各串之間的電流相同、保證LED發生故障時的可靠性以及控制EMI(會隨著總功率的增加而變得難以控制)。

其中還介紹了將降壓穩壓器用作每串LED恒流源的標準概念及其優缺點。第1部分的結論是:只要提高功率，背光照明的常用系統架構便可應用于路燈照明。例如。圖1所示的六通道背光照明控制器LM3432，能以高達80V的輸出電壓驅動每個通道高達40mA的電流?；诿總€LED的最大前向電壓v_F，LM3432可為每個通道的20～25個LED(總計120～150個LED)供電。該值是筆記本電腦的LCD顯示屏背光應用中所需的典型的數量值，而該領域是該產品的主打市場之一。

動態余量控制

LM3432的每個通道均為配置成恒流下沉的線性穩壓器。線性穩壓器對于提高功率效率沒有明顯效果，所以為了有效地給LED供電，LM3432搭配了開關穩壓器(圖1中的SNIPS)，用于為LED提供電源電壓，更重要的是接收來自LM3432的指令以動態調整V_o，使跨越每個線性穩壓器的電壓永遠最低。V_o的調整基礎是參照各串中電壓最高的通道。即使是已針對前向電壓進行分級的LED也會表現出一些差異，而且由于熱量原因，目前未針對v_p中的壓降進行分級。具有最高LED串總電壓的通道，是最接近線性穩壓器電流下沉的壓差電壓值的通道。此通道會將來自主電源的電壓控制在剛好不受壓降影響的范圍內。作為“主通道”的通道可以并確實地會動態更改，因此稱為動態電壓調整功能(DHC)。DHC可將整個系統的功率效率提高至90%以上，使其成為直接驅動LED的開關穩壓器的強大競爭對手。

超越多個降壓穩壓器的優點

與第1部分中詳細介紹的多個降壓穩壓器解決方案相比，利用可變輸出電壓為一系列線性穩壓器供電的單個大型開關穩壓器具有多個優點，其在移動電話、筆記本電腦及GPS設備中，所需的物理空間與成本都較低。將其應用到以350mA電流驅動50～200個1W LED的路燈照明系統中，在EMI(電磁干擾)與拍頻方面的優勢將尤為顯著。雖然為LM3432等背光照明芯片供電的升壓穩壓器使用的是經過嚴格濾波的直流輸入，但路燈照明與HPWA應用是通過交流電源來驅動。這使主要電源受許多法律要求的制約。雖然安全與功率因數校正都非常重要，但在電子產品上市時必須遵循的所有法規中，要求最嚴格的通常是管制EMI的相關法規。圖2示意了對于共有4串、每串各有14個LED的系統(總電壓控制在60VDC以下)，多個降壓穩壓器方案將需要5個開關穩壓器。依據總輸出功率，AC-DC部分可能會如同經過功率因數校正的單級反激穩壓器一樣簡單。為了提高效率，此類穩壓器的開關頻率很少超過200 kHz。但每個降壓穩壓器很可能會以500 kHz等較高頻率工作，以減小輸出電感器的大小。這樣，系統中便已經存在具有不同濾波需求的兩種開關頻率。如第1部分所述，若未在每個降壓LED驅動器之間進行頻率同步，則可能會存在拍頻EMI，因為每個降壓穩壓器會工作在稍微不同的頻率下。

LM3464是一種新型LED驅動器控制器，它將背光照明的多通道、DHC技術與更高的輸出電流相結合。每個LM3464可以控制多達四個作為電源線性穩壓器的外部電源N-MOSFET，其中，每個通道的最大平均電流建議可達500mA。圖3示意了LM3464如何像LM3432控制DC-DC升壓穩壓器一樣，控制隔離的AC-DC離線式主電源。即使每個通道的驅動電流為350mA，LM3464的功率效率也能超過95%，輕松實現與四個經過周密設計的降壓LED驅動器所發揮的相同效果。圖2與圖3之間的一個重要差異是LM3464不會產生任何新的開關頻率，唯一的開關噪聲來自AC-DC部分。

整體系統效率在很大程度上還取決于AC-DC穩壓器。PFC反激穩壓器雖然很經濟，但效率極少超過85%。當功率等級超過50～75W時，更常見的方法是升壓PFC前級穩壓器后接正向轉換器。由于熱量是影響LED性能與使用壽命的主要問題，而且產生的熱量與功率效率成反比，所以PFC升壓穩壓器后接共振轉換器即使在100～200w范圍內同樣適用。

精確度、故障報告及熱量折環

當具有單一參考電壓的一個Ic控制所有LED時，就會更容易使備串之間的電流相符。假設感測電阻器的公差為1%，LM3464將保證各串LED相互之間的電流差在±3%以內。如圖4中所示，檢測到LED因開路或短路而發生故障，并且可配置為僅關閉受影響的通道或關閉整個系統。作為進一步的替代方案，您可以對LM3464進行編程，以“間斷”方式繼續循環，直到清除故障為止。LED路燈通常包含可對故障信號進行解釋與響應的系統微控制器。高級系統甚至可以使用電源線或無線通信報告問題。

LM3464男一個主要的安全與可靠性功能是熱量返還。通過使用位于LED陣列中間的NTC熱敏電阻或溫度傳感器，一旦溫度超過可編程的閾值，即可通過PWM光暗調節逐漸減少每個通道的平均輸出電流。熱量是LED系統的頭號“敵人”。小鳥在散熱器上筑巢這個有趣但嚴肅的真實示例，說明了熱量返還是很有必要的。即使一群海鷗以路燈為巢，設計師也要保證至少LED能輸出部分光線以符合道路安全法的規定。因此，LM3464還允許設計師選擇或在給定溫度下完全關閉系統的熱量返回環路，或在驅動電流最低時可出現第二個斷點的環路。

菊花鏈與奇數串

并非所有系統都有四個通道，因此LM3464能以圖6中所示的菊花鏈方式工作。DHC控制環路將會比較每個LM3464中每個通道的汲極電壓。同樣。如果系統需要三、六或無法被四除盡的其它通道組合，則可禁用任一LM3464中的通道，最多可禁用三個通道。

結論

對于希望每串LED都有專用電流源，但在為每串LED配置降壓穩壓器時遇到問題的系統設計師而言，將主電源和多通道線性穩壓器與動態余量控制功能搭配使用，將是理想的選擇。LM3464可在保持高功率效率、高可靠性以及高控制能力的同時，提供更小、更便宜且更簡單的方案選項。