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。

　　引言

　　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。

　　工作原理

　　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。

　　單串方法的另外一個考慮因素是可靠性。如果只有一個LED開啟，那么您就要釋放整個照明設備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個LED 開啟，例如：加裝許多消弧電路(crowbar)或器件等，但是這會增加燈具的成本和復雜性^[4]。

　　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。

　　AC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。