需要大量LED的路灯照明方案 第I部分: 系统需求和现有解决方案

概述

LED 背光照明与通用照明使用不同类型的LED，许多通用照明应用仅使用不超过 10 个大功率 LED(如 1W LED)，而背光照明则需使用几百甚至数千个小型LED，这些LED功率在 50 mW至 200 mW间。这意味着目前为止所用的 LED 驱动器类型有很大的差别，其系统架构同样也差异巨大。但随着路灯照明(以及停车场照明、仓库照明等)的出现，这两个应用领域有了相似点，这是由于路灯照明中，高功率大面积照明(HPWA)所需的总输出功率大大高于灯泡或荧光灯管的改良产品，因此需要使用大量 LED。背光照明 LED 驱动器可为每串 LED 提供线性电流源，并通过使用可动态调整电压输出的开关电源来提高功率效率，从而解决了如何控制串并联阵列中大量 LED 的难题。直到现在，此类系统每通道的电流仍被限制在100 mA左右。美国国家半导体依循该设计理念，但同时将每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性户外照明(也称为路灯照明)所需的控制和保护功能。

简介

考虑到经过巧妙设计的 LED 路灯所具有的长期购置成本优势，政府机构比个人消费者更容易选择LED装置，因此越来越多的城镇正在考虑并安装 LED 路灯。用于公共道路的路灯照明受众多标准的制约(特别在调整最低和最高光线输出及光束模式上)。这些规定因地而异，但它们都要求更高的光通量，因此，相对于一些常见的LED设计，如灯泡(总计300～600 流明)或 改良的T8 荧光灯管(1000～4000 流明，视长度而定)需要更高的功率。一盏路灯通常可要求10,000 流明或更高的最低光线输出，相对地，以 20 ～ 40 mA 正向电流工作的小型 LED 的每瓦流明数表现更好，但它有两个明显缺点：第一，需要几千个小型的 LED 才能满足所需的总流明数，因数量庞大而带来了可靠性问题;第二，大量小型 LED 有利于光线在大的表面上均匀地传播，但路灯照明的控制光束要求需要透镜在与点光源配合工作时具有最高的效率。目前市面上的单裸片 LED 的功率高达 10W，这从光学角度上看的确很好，但要将如此多传导所产生的热量从很小的面积散发出去，绝非轻而易举。该热量会导致更难获得预期的很高的每瓦流明数。目前 LED 路灯通常会使用 50～200 个驱动电流为 350 mA 的 LED，因为该数目意味着发光效率与所需 LED 总数间的最佳平衡。

背光照明技术可以解决如何以高效、简单且经济的方式来驱动众多 1W LED的问题。但是，要利用背光照明技术，实现“将功率提高”至本系列第 I 部分中 HPWA 应用所需的等级，则需权衡系统需求和现有解决方案的利弊。

使用单个串联串

LED 光线输出主要与正向电流成正比。为了确保光线输出的LED在给定数量 内，最简单的解决方案是将LED 全部串联。这种单个串联串解决方案存在的主要问题是，只要其中一个 LED 故障开路，就会让整个灯熄灭。现在 LED 已经变得更坚固耐用，许多 LED 具有反并联奇纳二极管或闸流晶体管，可将潜在的开路故障转换成类似于短路的情况。对于没有内置 保护功能的LED，现在很多电子器件制造商可以提供与每个 LED 反并联的分离式硅控整流器 (SCR) 钳位。既然开路故障可以强制转换成类似于短路的故障，因此不必担心单个器件会导致整个灯出现问题，取而代之的，新的关注点在于判断多少个 LED 发生故障会导致整个灯泡的维修。图 1示意了使用 LM3409/09HV 降压 LED 驱动器的高可靠性单串系统。

图1 具有单串LED的高可靠性降压驱动器

对单串解决方案而言，更为重要的是总驱动电压 VO值。氮化铟镓技术的改进之处是使 1W LED 的正向电压接近于 3.0V，但经过正向电压盒的分配后，每个器件3.3V的 VF 是合理的预估值。将 50 个这样的 LED 串联在一起，总驱动电压 为VO = n × VF 即 165V。可接受的最大 VO值主要取决于 IEC、UL 或 VDE 等安全标准。例如，为了满足安全性超低电压IEC 规格，系统必须具有变压器隔离的输出，且次级系统上的最大直流电压值必须小于 120V。所有可用的灯都会享有 SELV 认证所带来的巨大好处，因此，LED 驱动设计师通常会因较高的 VO 而放弃单串解决方案，并忽视可确保每个 LED 的驱动电流都相同的好处。

串并联

当需要具有限定次级电压的隔离式系统时，唯一的选择是采用多个 LED串。虽然该系统试图采用一个大的电流源(如图 2 中所示)或增加串联功率电阻器(如图 3 中所示)，但这些都不是适用于路灯的解决方案，因为它们无法确保不同串之间的驱动电流相等。图 4 所示的交叉连接有时被视为平衡电流，及/或在发生开路故障时避免一整串灯变暗的有效方式，但这也仅仅是使每行 LED 的电压保持为钳位值。经过进一步观察发现，交叉连接仍然无法使电流相符，也无法避免任意的 LED开路或短路时会出现的进一步不平衡的状况。

图2 具有一个大的电流源的串并联阵列

图3 具有电阻器整流功能的串并联阵列[p]

图4 具有交叉连接式LED串并联阵列

不平衡的电流会产生不平衡的热量，从而导致消耗过多电流的LED 的发光功效立即降低，并使其快速退化。LED 路灯必须产生光束模式为 Y 的 X 个流明数，且必须能正确工作数年之久。确保系统不只在第 1 天更能在随后的五年或 50,000 小时后仍能产生正确数量的光线的唯一方法是令每个LED串都有一个控制电流源。

多个降压稳压器

在开关稳压器当中，降压稳压器是有口皆碑的，因为它天生就适合用作电流源。降压稳压器也是最简单、最便宜且最省电的传统硬开关式拓朴结构，且很多不同的厂商都提供了从控制 IC 到完整模块的不同功率等级和配置的降压稳压器 LED 驱动器。具有多串 LED 的大功率 LED 驱动系统的传统解决方案，是为每串LED安装降压稳压器(如图 5 所示)。由于降压稳压器只能降低输出电压，因此只要使降压稳压器的输入电压低于所需的阈值，即可确保在次级上获得最大的直流电压。由于早前在电信领域的普及以及常见的 60V DC的次级限制， 48V DC 是目前流行的输入电压值。这同时也为每串 12 个串联的氮化铟镓 (InGaN)LED，提供了介于最小输入电压和最大输出电压(LED 串电压)之间合适的阈值。

图5 适用于每个串的专用降压稳压器。其所有VO

为每串 LED 安装降压稳压器的好处是能保证各串之间的电流相符，这对于要求较长使用寿命的高质量系统至关重要。每个降压稳压器均可通过 PWM 或线性调整 LED 电流来单独调节光暗。部分降压 LED 驱动器具有故障报告功能，所有降压稳压器均可设计成在一定的输出电压范围下提供较高的功率效率。如果发生故障，每个降压稳压器均可向系统微控制器报告，在保持其他降压稳压器继续工作的情况下，可以关闭一个或多个降压稳压器。

多个降压稳压器方案的缺点

为每串 LED 安装一个降压稳压器的第一大缺点是成本，尽管在路灯照明及高可靠性 HPWA 中，成本并非在消费产品中那样重要。每个降压稳压器需要一个功率电感器、一个输入电容器(在大多数情况下还需要一个肖特基整流器和一个用于感测电流的功率电阻器)，以及用于不同模拟功能的各种小电阻器和电容器。多个降压稳压器系统的第二大缺点(开关电源设计师会更为关注，其它人可能会忽视)，是当多个大功率开关稳压器全部从相同输入电源轨供电时会产生电磁干扰 (EMI)。所有开关稳压器在开关频率谐波上均会产生 EMI 和基本开关频率。当以相同电源为工作在几乎相同频率上的两个或多个转换器供电时，在输入端通常会出现额外的 EMI(称为拍频)。在接近的两个开关频率的总频率和差额频率上，均会产生拍频。降压稳压器提供完美符合 LED驱动需求 的平稳输出电流，但它带来大量非连续的输入电流脉冲，使其比升压稳压器更容易产生拍频。如果使开关频率保持同步，则可以消除干扰。但遗憾的是，大多数降压 LED 驱动器都不是固定频率的基于时钟的系统。非同步的迟滞和固定开路时间/固定断路时间 (COT) 控制更为常见，因为容易适应 LED 阵列的动态负载，同时也因为迟滞和 COT 控制可提供快速的转换率以获得最佳 的PWM 光暗调节性能。此解决方案需要非常周密的 PCB (印制板)布局，并要对每个降压稳压器进行大量的输入滤波。如图 6 中所示，在许多情况下需要分立式输入电感器，但即使不像消费产品那样对空间和成本有严格的控制，这些电感器仍是不受欢迎的。

图6 输入电感器和周密的PCB布局有助于避免拍频

结语

路灯与 HPWA 照明都不是首个面对是提高众多 LED 的功率还是将其合理布局到单个串联链中的僵局的应用。从移动电话的小 LCD 屏开始，到 GPS、汽车信息娱乐装置、便携式计算机，再到现在的大屏幕 LCD 电视，背光照明 LED已被用于越来越大的屏幕中。虽然降压稳压器统治着大功率 LED 驱动器市场，但升压稳压器与多个线性稳压器的配合使用，才是背光照明系统的理想选择。

本系列技术文章的第 II 部分，将探讨如何拓展此类此前仅用于40～60 mA 驱动电流下的 LED 驱动系统的范围与功率，以解决路灯与 HPWA 照明所面临的主要问题。