需要大量LED的路燈照明方案,第1部分:系統(tǒng)需求和現(xiàn)有解決方案

概述

LED背光照明與通用照明使用不同類型的LED，許多通用照明應(yīng)用僅使用不超過(guò)10個(gè)大功率LED(如1WLED)，而背光照明則需使用幾百甚至數(shù)千個(gè)小型LED，這些LED功率在50mw至200 mW間。這意味著目前為止所用的LED驅(qū)動(dòng)器類型有很大的差別。其系統(tǒng)架構(gòu)同樣也差異巨大。但隨著路燈照明(以及停車場(chǎng)照明、倉(cāng)庫(kù)照明等)的出現(xiàn)，這兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了相似點(diǎn)，這是由于路燈照明中，高功率大面積照明(HPWA)所需的總輸出功率大大高于燈泡或熒光燈管的改良產(chǎn)品，因此需要使用大量LED。背光照明LED驅(qū)動(dòng)器可為每串LED提供線性電流源，并通過(guò)使用可動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓輸出的開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高功率效率，從而解決了如何控制串并聯(lián)陣列中大量LED的難題。直到現(xiàn)在，此類系統(tǒng)每通道的電流仍被限制在100 mA左右。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體依循該設(shè)計(jì)理念，但同時(shí)將每通道的功率提高至500 mA，并增加了高可靠性戶外照明(也稱為路燈照明)所需的控制和保護(hù)功能。

簡(jiǎn)介

考慮到經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的LED路燈所具有的長(zhǎng)期購(gòu)置成本優(yōu)勢(shì)，政府機(jī)構(gòu)比個(gè)人消費(fèi)者更容易選擇LED裝置，因此越來(lái)越多的城鎮(zhèn)正在考慮并安裝LED路燈。用于公共道路的路燈照明受眾多標(biāo)準(zhǔn)的制約(特別在調(diào)整最低和最高光線輸出及光束橫式上)。這些規(guī)定因地而異，但它們都要求更高的光通量，因此，相對(duì)于一些常見(jiàn)的LED設(shè)計(jì)，如燈泡(總計(jì)300～600流明)或改良的T8熒光燈管(1000～4000流明，視長(zhǎng)度而定)需要更高的功率。一盞路燈通常可要求10，000流明或更高的最低光線輸出。相對(duì)地，以20～40mA正向電流工作的小型LED的每瓦流明數(shù)表現(xiàn)更好，但它有兩個(gè)明顯缺點(diǎn)：第一，需要幾千個(gè)小型的LED才能滿足所需的總流明數(shù)，因數(shù)量龐大而帶來(lái)了可靠性問(wèn)題：第二，大量小型LED有利于光線在大的表面上均勻地傳播，但路燈照明的控制光束要求需要透鏡在與點(diǎn)光源配合工作時(shí)具有最高的效率。目前市面上的單裸片LED的功率高達(dá)10W，這從光學(xué)角度上看的確很好，但要將如此多傳導(dǎo)所產(chǎn)生的熱量從很小的面積散發(fā)出去，絕非輕而易舉。該熱量會(huì)導(dǎo)致更難獲得預(yù)期的很高的每瓦流明數(shù)。目前LED路燈通常會(huì)使用50～200個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為350 mA的LED，因?yàn)樵摂?shù)目意味著發(fā)光效率與所需LED總數(shù)間的最佳平衡。

背光照明技術(shù)可以解決如何以高效、簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)眾多1W LED的問(wèn)題。但是。要利用背光照明技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“將功率提高”至本系列第1部分中HPWA應(yīng)用所需的等級(jí)，則需權(quán)衡系統(tǒng)需求和現(xiàn)有解決方案的利弊。

健用單個(gè)串聯(lián)串

LED光線輸出主要與正向電流成正比。為了確保光線輸出的LED在給定數(shù)量?jī)?nèi)，最簡(jiǎn)單的解決方案是將LED全部串聯(lián)。這種單個(gè)串聯(lián)串解決方案存在的主要問(wèn)題是，只要其中一個(gè)LED故障開(kāi)路，就會(huì)讓整個(gè)燈熄滅?，F(xiàn)在LED已經(jīng)變得更堅(jiān)固耐用，許多LED具有反并聯(lián)奇納二極管或閘流晶體管，可將潛在的開(kāi)路故障轉(zhuǎn)換成類似于短路的情況。對(duì)于沒(méi)有內(nèi)置保護(hù)功能的LED，現(xiàn)在很多電子器件制造商可以提供與每個(gè)LED反并聯(lián)的分離式硅控整流器(sCR)鉗位。既然開(kāi)路故障可以強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成類似于短路的故障，因此不必?fù)?dān)心單個(gè)器件會(huì)導(dǎo)致整個(gè)燈出現(xiàn)問(wèn)題，取而代之的，新的關(guān)注點(diǎn)在于判斷多少個(gè)LED發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)燈泡的維修。圖1示意了使用LM3409／09HV降壓LED驅(qū)動(dòng)器的高可靠性單串系統(tǒng)。

對(duì)單串解決方案而言，更為重要的是總驅(qū)動(dòng)電壓v值。氮化銦鎵技術(shù)的改進(jìn)之處是使1W LED的正向電壓接近于3.0V，但經(jīng)過(guò)正向電壓盒的分配后，每個(gè)器件3.3V的v是合理的預(yù)估值。將50個(gè)這樣的LED串聯(lián)在一起，總驅(qū)動(dòng)電壓為v=n×v即16SV?？山邮艿淖畲髒值主要取決于IEC、UL或VDE等安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，為了滿足安全性超低電壓IEC規(guī)格，系統(tǒng)必須具有變壓器隔離的輸出，且次級(jí)系統(tǒng)上的最大直流電壓值必須小于120V。所有可用的燈都會(huì)享有SELV認(rèn)證所帶來(lái)的巨大好處，因此，LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)師通常會(huì)因較高的v而放棄單串解決方案，并忽視可確保每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流都相同的好處。

串并聯(lián)

當(dāng)需要具有限定次級(jí)電壓的隔離式系統(tǒng)時(shí)。唯一的選擇是采用多個(gè)LED串。雖然該系統(tǒng)試圖采用一個(gè)大的電流源(如圖2中所示)或增加串聯(lián)功率電阻器(如圖3中所示)，但這些都不是適用于路燈的解決方案，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法確保不同串之間的驅(qū)動(dòng)電流相等。圖4所示的交叉連接有時(shí)被視為平衡電流，及／或在發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)避免一整串燈變暗的有效方式，但這也僅僅是使每行LED的電壓保持為鉗位值。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，交叉連接仍然無(wú)法使電流相符、也無(wú)法避免任意的LED開(kāi)路或短路時(shí)會(huì)出現(xiàn)的進(jìn)一步不平衡的狀況。

不平衡的電流會(huì)產(chǎn)生不平衡的熱量。從而導(dǎo)致消耗過(guò)多電流的LED的發(fā)光功效立即降低，并使其快速退化。LED路燈必須產(chǎn)生光束模式為Y的x個(gè)流明數(shù)，且必須能正確工作數(shù)年之久。確保系統(tǒng)不只在第1天更能在隨后的五年或50，000小時(shí)后仍能產(chǎn)生正確數(shù)量的光線的唯一方法是令每個(gè)LED旱都有一個(gè)控制電流源。

多個(gè)降壓穩(wěn)壓器

在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器當(dāng)中，降壓穩(wěn)壓器是有口皆碑的，因?yàn)樗焐瓦m合用作電流源。降壓穩(wěn)壓器也是最簡(jiǎn)單、最便宜且最省電的傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)式拓樸結(jié)構(gòu)，且很多不同的廠商都提供了從控制IC到完整模塊的不同功率等級(jí)和配置的降壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動(dòng)器。具有多串LED的大功率LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案，是為每串LED安裝降壓穩(wěn)壓器(如圖5所示)。由于降壓穩(wěn)壓器只能降低輸出電壓，因此只要使降壓穩(wěn)壓器的輸入電壓低于所需的閾值，即可確保在次級(jí)上獲得最大的直流電壓。由于早前在電信領(lǐng)域的普及以及常見(jiàn)的60V DC的次級(jí)限制，48V DC是目前流行的輸入電壓值。這同時(shí)也為每串12個(gè)串聯(lián)的氮化銦鎵(InGaN)LED，提供了介于最小輸入電壓和最大輸出電壓(LED串電壓)之間合適的閾值。

為每串LED安裝降壓穩(wěn)壓器的好處是能保證各串之間的電流相符，這對(duì)于要求較長(zhǎng)使用壽命的高質(zhì)量系統(tǒng)至關(guān)重要。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器均可通過(guò)PWM或線性調(diào)整LED電流來(lái)單獨(dú)調(diào)節(jié)光暗。部分降壓LED驅(qū)動(dòng)器具有故障報(bào)告功能，所有降壓穩(wěn)壓器均可設(shè)計(jì)成在一定的輸出電壓范圍下提供較高的功率效率。如果發(fā)生故障，每個(gè)降壓穩(wěn)壓器均可向系統(tǒng)微控制器報(bào)告，在保持其他降壓穩(wěn)壓器繼續(xù)工作的情況下，可以關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)降壓穩(wěn)壓器。

多個(gè)降壓穩(wěn)壓器方案的缺點(diǎn)

為每串LED安裝一個(gè)降壓穩(wěn)壓囂的第一大缺點(diǎn)是成本，盡管在路燈照明及高可靠性HPWA中，成本并非在消費(fèi)產(chǎn)品中那樣重要。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)功率電感器、一個(gè)輸入電容器(在大多數(shù)情況下還需要一個(gè)肖特基整流器和一個(gè)用于感測(cè)電流的功率電阻器)，以及用于不同模擬功能的各種小電阻器和電容器。多個(gè)降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)的第二大缺點(diǎn)(開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)師會(huì)更為關(guān)注，其它人可能會(huì)忽視)，是當(dāng)多個(gè)大功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器全部從相同輸入電源軌供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。所有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在開(kāi)關(guān)頻率諧波上均會(huì)產(chǎn)生EMI和基本開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)以相同電源為工作在幾乎相同頻率上的兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，在輸入端通常會(huì)出現(xiàn)額外的EMI(稱為拍頻)。在接近的兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率的總頻率和差額頻率上，均會(huì)產(chǎn)生拍頻。降壓穩(wěn)壓器提供完美符合LED驅(qū)動(dòng)需求的平穩(wěn)輸出電流，但它帶來(lái)大量非連續(xù)的輸入電流脈沖，使其比升壓穩(wěn)壓器更容易產(chǎn)生拍頻。如果使開(kāi)關(guān)頻率保持同步，則可以消除干擾。但遺憾的是，大多數(shù)降壓LED驅(qū)動(dòng)器都不是固定頻率的基于時(shí)鐘的系統(tǒng)。非同步的遲滯和固定開(kāi)路時(shí)間／固定斷路時(shí)間(cOT)控制更為常見(jiàn)。因?yàn)槿菀走m應(yīng)LED陣列的動(dòng)態(tài)負(fù)載，同時(shí)也因?yàn)檫t滯和COT控制可提供快速的轉(zhuǎn)換率以獲得最佳的PWM光暗調(diào)節(jié)性能。此解決方案需要非常周密的PCB(印制板)布局，并要對(duì)每個(gè)降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行大量的輸入濾波。如圖6中所示，在許多情況下需要分立式輸入電感器，但即使不像消費(fèi)產(chǎn)品那樣對(duì)空間和成本有嚴(yán)格的控制，這些電感器仍是不受歡迎的。

結(jié)語(yǔ)

路燈與HPWA照明都不是首個(gè)面對(duì)是提高眾多LED的功率還是將其合理布局到單個(gè)串聯(lián)鏈中的僵局的應(yīng)用。從移動(dòng)電話的小LCD屏開(kāi)始，到GPS、汽車信息娛樂(lè)裝置、便攜式計(jì)算機(jī)，再到現(xiàn)在的大屏幕LCD電視，背光照明LED已被用于越來(lái)越大的屏幕中。雖然降壓穗壓器統(tǒng)治著大功率LED驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)，但升壓穩(wěn)壓器與多個(gè)線性穩(wěn)壓器的配合使用，才是背光照明系統(tǒng)的理想選擇。

本系列技術(shù)文章的第11部分。將探討如何拓展此類此前僅用于40～60mA驅(qū)動(dòng)電流下的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的范圍與功率，以解決路燈與HPWA照明所面臨的主要問(wèn)題。