驅(qū)動高功率LED照明應用的一種新方法

1、驅(qū)動高功率led照明應用的一種新方法在諸如路燈、高棚燈體育場照明以及其他許多高功率照明應用中，其進展正轉(zhuǎn)向用法 作為光源的固態(tài)照明。這是由于其更高能效和更低維護頻率的價值定位，而這兩個因素也證實了這種轉(zhuǎn)換的合理性。在此類高功率照明應用中，人們考慮用法各式各樣的辦法來驅(qū)動這些照明燈。本文中，我們將研究一種新的拓撲，它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅(qū)動多個 led 串而著稱。要想充分地了解這種拓撲的優(yōu)點，我們就必需首先討論現(xiàn)在考慮用法或者已經(jīng)在低功率 led 應用中取得較好效果的各種辦法。一種容易的辦法是，用法一個能夠?qū)㈦娫崔D(zhuǎn)換為 dc 輸出電壓（例如：12 伏或 24 伏）的電源；然后，讓并聯(lián) l

2、ed 串在這個電源下工作，并在每個串中用法器來調(diào)整。這是一種低成本的辦法。但是，當今的高亮度 led 可消耗超過 350ma 的電流，因此這種辦法的損耗極大。它的效率較低，而且電流調(diào)整效果較差，而這又會使串與串之間的光芒差異極為顯然。要改進這種辦法，需用線性穩(wěn)壓器取代電阻器，從而充實全部串的光芒輸出全都性。但是這樣做僅有這一個益處，而在效率或功耗方面并沒有顯然的充實。降低功耗對于最大化 led 用法壽命來說十分重要。這兩種辦法中，無論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源，都會極大地縮短 led 的用法壽命。另一種同樣十分容易的辦法是制作一個長長的單一串聯(lián)串，用法一個能夠產(chǎn)生高壓 dc 恒定電流

3、源的單電源。這種辦法的高壓工作將其置于 60vdc 或 42v rms 平安超低壓 (selv) 電平以上。它將照明設備或附件與平安機構(gòu)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便性。單串辦法的另外一個考慮因素是牢靠性。假如惟獨一個 led 開啟，那么您就要釋放囫圇照明設備的光芒輸出。雖然有一些辦法可以控制每一個 led 開啟，例如：加裝許多消弧 (crowbar) 或器件等，但是這會增強燈具的成本和復雜性。高功率 led 照明應用中最為常用的辦法是，用法具有開關穩(wěn)壓器電流調(diào)整的多串架構(gòu)。這樣，一個主電源就將 ac 電源轉(zhuǎn)換為一個 dc 電壓，其普通在 selv 電平以下。

4、然后，該總線為并聯(lián) led 串供電，其每一個串都擁有一個降壓轉(zhuǎn)換器（最為常見）或升壓轉(zhuǎn)換器。為了容易起見，我們將會把我們的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，由于在成本和組件數(shù)目方面它都與升壓轉(zhuǎn)換器十分類似。例如，圖 1 顯示的是低成本簡易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個 控制器、以及少量的電阻和組成。假如要求更高的效率，則您可以用一個 mosfet 代替二極管，并用法一個能夠?qū)崿F(xiàn)同步降壓運行的 pwm 控制器。圖 1 容易的降壓穩(wěn)壓器圖 2 顯示的是一個利用降壓穩(wěn)壓器舉行電流調(diào)整的高功率、多串照明應用的各個子系統(tǒng)模塊。圖 2 用法降壓穩(wěn)壓器的典型高功率led照明系統(tǒng)ac 電源輸入經(jīng)過整流，供應一個功率因數(shù)校正

5、(pfc) 升壓電路，其 pfc 會產(chǎn)生一個 400v 的高壓，從而向下游隔離 dc/dc 轉(zhuǎn)換器提供輸入。之后，該 dc/dc 轉(zhuǎn)換器輸出被用于產(chǎn)生一個低壓總線（普通為 12v 或 24v 范圍），從而向經(jīng)過降壓調(diào)整的 led 串供電。這種辦法擁有較高的效率，也是最小 led 串的抱負挑選。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(shù)量和成本都會有所增強。就組件廠商和供給鏈來說，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(chǎn)品的廣泛用法。固態(tài)照明的長久穩(wěn)定進展需要的是低成本驅(qū)動電路，它可以讓這個市場成型并順當進展。圖 3 顯示的是一個串聯(lián)輸入多并聯(lián) l

6、ed (simple) 驅(qū)動器。它是一種高性價比的多 led 串驅(qū)動辦法。除 pfc 外，它是一種兩級辦法，包括一個反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個下游 dc/dc 電路。它極為高效，具有優(yōu)異的串電流調(diào)整功能，并且（最為重要的是）還是一個低成本的辦法。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。假如一個 led 或串開啟，它不會釋放其余串。在我們深化討論其運行狀況之前，讓我們首先對那些用法 simple 驅(qū)動多變壓器辦法時突出的問題舉行一些研究。首先，我們要注重，這是一種電隔離設計，其二次側(cè)輸出電壓可設計在 selv 電平以下。當輸出電壓保持在 selv

7、電平以下時，其就消退了讓照明設備與電源結(jié)合的要求，并且互連獲得了平安機構(gòu)的許可。讓輸出保持在這些電平以下，增強了其本身的靈便性，從而使各種燈具可以滿足許多其他照明應用的要求。電源仍然要求平安許可，正如本文中研究的全部離線解決計劃一樣，但是燈具卻不需要。另外，從散熱管理的角度來看，這種隔離設計則越發(fā)抱負，由于沒有了對 led 臨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平安規(guī)定的隔離反饋器件。最后，我們來看這種二次側(cè)的簡易性。它惟獨很少的無源組件，并且沒有偏置電源、有源組件或任何種類的控件。談及運行，simple 驅(qū)動器擁有優(yōu)于 1% 的極好的串電

8、流匹配。它具有可獲得高效率的諧振運行，并且隨著串數(shù)量的增強其性價比也會更高。圖 3 simple驅(qū)動多變壓器概述pfc電路的輸出為反向降壓電路的輸入。反向降壓經(jīng)過配置，產(chǎn)生一個恒定電流輸出。這種電流下，系統(tǒng)閉環(huán)位于附近。它產(chǎn)生的電流輸出向下游供應 dc/dc 變壓器電路，而該電路由一個半橋接控制器、兩個 mosfet、電容 c1 和 電容 c2 以及一些變壓器組成。之后，該電流經(jīng)過半橋接 mosfet 開關，到達串聯(lián)變壓器的一次側(cè)。電容 c1 和 c2 服務于許多功能。它們可用于為半橋接建立一個分壓器，同時它們還是諧振電路的組成組件，也是 dc 阻斷電容，這有助于防止變壓器飽和。諧振運行允許

9、mosfet 開關以零電壓開關 (zvs) 舉行開關運行。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?，F(xiàn)已轉(zhuǎn)換為 ac 電流的 dc 電流通過全部串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧振?？纱?lián)放置的變壓器一次側(cè)數(shù)目非常靈便，由于可以挑選繞組比來支持許多變壓器或 led 串。計算匝數(shù)比需要考慮的是串數(shù)，這是因為其規(guī)定了變壓器的數(shù)目以及每個串的正向電壓。設計考慮因素要獲得功率轉(zhuǎn)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，我們需要盡可能地臨近輸入電壓來工作。因為大多數(shù)高功率照明應用都支持有源 pfc 的用法，為了容易起見，我們將只把它看作是功能模塊，

10、并給其輸出分配一些典型值。因為大多數(shù)有源 pfc 電路都起到一個升壓轉(zhuǎn)換器的作用，因此 pfc 輸出電壓的設定必需要高于最高 ac 線壓的峰值。85 265vac 普通輸入范圍時，其為大約 375v。增強一些動態(tài)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 輸出變幻的較多動態(tài)范圍上限，就需要增強稍多的裕度，以適應約 40v 的紋波。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(tài)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

11、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，我們用法了兩個變壓器來驅(qū)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因為我們將 dc 降壓的輸出工作點設定在 280v，因此它現(xiàn)在作為 dc/dc 變壓器電路的輸入。這就意味著，施加于串聯(lián)一次側(cè)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(lián)一次側(cè)布局上獲得 140v 的電壓?，F(xiàn)在，匝數(shù)比的計算就變得非常簡單了，如方程式 1 所示：每個變壓器的一次側(cè)電壓 (vp) =橋接電壓/變壓器數(shù)=140v/2=70v匝數(shù)比（方程式 1）其中：np = 一次側(cè)匝數(shù)ns =二次側(cè)匝數(shù)vs =二次側(cè)或 led 串電壓vp =每個一次繞組兩端的電壓要計算反向降壓的電流輸出設定值，其中每個變壓器驅(qū)動兩個 led 串，首先必需熟悉到交替半周期中每個變壓器中惟獨一個串在導電。這就是說，在睡眠期間維持 led 導電而必需向?qū)щ姶峁┑碾娏鞅匦枋?led 電流的兩倍。抱負 led 電流為 1a 的這種狀況下，每半個周期向 led 和電容提供的電流為 2a。要計算降壓穩(wěn)壓器，設定電流值 (iset) 如方程式 2 所示：（方程式