高功率LED照明驅動應用的新方法

摘要：傳統高功率LED驅動電源大多采用直流并聯LED的方式工作，成本低，容易實現，但目前高亮度LED消耗的電流可達350mA甚至更高，因此傳統方法的損耗極大，效率低；本文提出了一種串聯輸入多并聯驅動電源的實現方法，具有高性價比，輸出電流大，失真度低，且具有優異的串電流調節功能等優點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/192733.htm

關鍵詞：高功率LED；串聯輸入多并聯驅動；SIMPLE；開關穩壓電源

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.008

在諸如路燈、高棚燈、體育場照明以及其他許多高功率照明應用中，其發展正轉向使用LED作為光源的固態照明。這是因為其更高能效和更低維護頻率的價值定位，而這兩個因素也證明了這種轉換的合理性[1]。

在此類高功率照明應用中，人們考慮使用各種各樣的方法來驅動這些照明燈[1-9]。本文中，我們將討論一種新的串聯輸入多并聯驅動方式的拓撲結構，它具有更高的效率和更低的系統成本，并且可以驅動多個LED。

要想充分地了解這種拓撲的優點，我們就必須首先研究現在考慮使用或者已經在低功率LED應用中取得較好效果的各種方法。

一種簡單的方法是，使用一個能夠將電源電壓轉換為DC輸出電壓（例如：12伏或24伏）的電源；然后，讓并聯LED串在這個電源下工作，并在每個串中使用電阻器來調節電流[1]。這是一種低成本的方法。但是，當今的高亮度LED可消耗超過350mA的電流，因此這種方法的損耗極大。它的效率較低，而且電流調節效果較差，而這又會使串與串之間的光線差異極為明顯。

要改進這種方法，需用線性穩壓器取代電阻器，從而改善所有串的光線輸出一致性[2]。但是這樣做僅有這一個好處，而在效率或功耗方面并沒有明顯的改善。降低功耗對于最大化LED使用壽命來說非常重要。這兩種方法中，無論是將電阻器還是線性穩壓器用作固定熱源，都會極大地縮短LED的使用壽命。

另一種同樣非常簡單的方法是制作一個長長的單一串聯串，使用一個能夠產生高壓DC恒定電流源的單電源[3]。這種方法的高壓工作將其置于60VDC或42VRMS安全超低壓（SELV）電平以上。它將照明設備或附件與安全機構許可過程綁定，并極大地降低了將相同電氣設計運用到其他應用中的靈活性。

高功率LED照明應用中最為常用的方法是，使用具有開關穩壓器電流調節的多串架構[5]。這樣，一個主電源就將AC電源轉換為一個DC總線電壓，其一般在SELV電平以下。然后，該總線為并聯LED串供電，其每一個串都擁有一個降壓轉換器（最為常見）或升壓轉換器。為了簡單起見，我們將會把分析僅局限于降壓轉換器，因為在成本和組件數目方面它都與升壓轉換器非常類似。

例如，圖1顯示的是低成本簡易降壓穩壓器電路。它由一個PWM控制器、電感、MOSFET、二極管以及少量的電阻和電容組成。如果要求更高的效率，則可以用一個MOSFET代替二極管，并使用一個能夠實現同步降壓運行的PWM控制器[6]。

圖2顯示的是一個利用降壓穩壓器進行電流調節的高功率、多串照明應用的各個子系統模塊。

A C電源輸入經過整流，供給一個功率因數校正（PFC）升壓電路，其PFC會產生一個400V的高壓，從而向下游隔離DC/DC轉換器提供輸入。之后，該 DC/DC轉換器輸出被用于產生一個低壓總線（一般為12V或24V范圍，從而向經過降壓調節的LED串供電[7]。

這種方法擁有較高的效率，也是最小LED串的理想選擇。但是，對于那些具有4個或更多串的高功率應用來說，組件數量和成本都會有所增加。就電子組件廠商和供應鏈來說，可能會有可觀的銷售。然而，對于照明設備廠商及其用戶來說，高成本并不利于產品的廣泛使用。固態照明的長期穩定發展需要的是低成本驅動電路，它可以讓這個市場成型并順利發展。

圖3顯示的是一個串聯輸入多并聯LED（SIMPLE）驅動器。它是一種高性價比的多LED串驅動方法。除PFC外，它是一種兩級方法，包括一個反向恒定電流降壓穩壓器和一個下游DC/DC變壓器電路。它極為高效，具有優異的串電流調節功能，并且（最為重要的是）還是一個低成本的方法。它本身還可以具有為每個串加裝的單無源作用硅芯片控制的整流器（SCR）消弧電路冗余。如果一個LED 或串開啟，它不會釋放其余串。

在我們深入研究其運行情況之前，讓我們首先對那些使用SIMPLE驅動多變壓器方法時突出的問題進行一些討論。首先，我們要注意，這是一種電隔離設計，其二次側輸出電壓可設計在SELV電平以下。當輸出電壓保持在SELV電平以下時，其就消除了讓照明設備與電源結合的要求，并且互連獲得了安全機構的許可。

讓輸出保持在這些電平以下，增加了其本身的靈活性，從而使各種燈具可以滿足許多其他照明應用的要求[8]。電源仍然要求安全許可，正如本文中討論的所有離線解決方案一樣，但是燈具卻不需要。

另外，從散熱管理的角度來看，這種隔離設計則更加理想，因為沒有了對LED接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個顯著的特點是，它不要求輸出端反饋。這就去除了光電或其他安全規定的隔離反饋器件。最后，我們來看這種二次側的簡易性。它只有很少的無源組件，并且沒有偏置電源、有源組件或任何種類的控件[9]。

談及運行，SIMPLE驅動器擁有優于1%的極好的串電流匹配。它具有可獲得高效率的諧振運行，并且隨著串數量的增加其性價比也會更高。

設計考慮因素

諧振運行允許MOSFET開關以零電壓開關（ZVS）進行開關運行。這就降低了開關損耗，并強制輸出二極管至零電流開關（ZCS），從而有助于效率最大化[11]。

現已轉換為AC電流的DC電流通過所有串聯變壓器的一次側前后諧振。可串聯放置的變壓器一次側數目十分靈活，因為可以選擇繞組比來支持許多變壓器或LED串。計算匝數比需要考慮的是串數，這是由于其規定了變壓器的數目以及每個串的正向電壓。

要獲得功率轉換的最高可達效率，目標就是盡可能地處理最少的功率。要達到這個目的，我們需要盡可能地接近輸入電壓來工作。由于大多數高功率照明應用都支持有源PFC的使用[12]，為了簡單起見，我們將只把它看作是功能模塊，并給其輸出分配一些典型值。

由于大多數有源PFC電路都起到一個升壓轉換器的作用，因此PFC輸出電壓的設定必須要高于最高AC線壓的峰值。85–265VAC一般輸入范圍時，其為大約375V。增加一些動態范圍上限，以獲得裕度和容差，這時400V便為一個典型的設定值。要確保下游降壓擁有PFC輸出變化的較多動態范圍上限，就需要增加稍多的裕度，以適應約40V的紋波[13]。這就使我們的反向降壓最小輸入運行點為大約 360V。

為保證降壓輸出具有一定的順從電壓，以讓其能夠正常地工作，這就需要也給它一定的動態范圍上限，并將其輸出范圍限定在280V。

既然我們都了解我們的各個邊界，那么就讓我們來看看如何通過降壓和變壓器匝比來計算恒定電流值的一個設計實例。

在本例中，我們使用了兩個變壓器來驅動四個 LED串，其電流為1A。每個串都擁有十只高功率 LED。假設：LED正向電壓Vf=3.5V，且一個串電壓=35V。

由于我們將DC降壓的輸出工作點設定在 280V，因此它現在作為DC/ DC變壓器電路的輸入。這就意味著，施加于串聯一次側的電壓將為電容分壓器（由C1和C2組成）電壓的1/2，從而在串聯一次側布局上獲得140V的電壓。

現在，匝數比的計算就變得十分容易了，如式1所示：

每個變壓器的一次側電壓（VP）=橋接電壓/變壓器數=140V/2=70V

如上所述，采用串聯輸入多并聯的驅動方式使得變壓器參數的確定化繁為簡，同時這種驅動方式能夠滿足許多不同照明應用的需求。如果SIMPLE驅動是眾多LED照明應用模塊方法的一部分，那么就需要考慮上游功率級，例如：半橋中的功率處理組件、反向降壓和PFC等，因為必須調整它們的大小來應對能滿足驅動器的最高功率級。