需要大量LED的路燈照明方案第Ⅱ部分:背光照明快速成長(zhǎng)將主導(dǎo)路燈照明技術(shù)

摘要:與第1部分中詳細(xì)介紹的多個(gè)降壓穩(wěn)壓器解決方案相比，利用可變輸出電壓為一系列線性穩(wěn)壓器供電的單個(gè)大型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其在移動(dòng)電話、筆記本電腦及GPS設(shè)備中，所需的物理空間與成本都較低例如LM 3464可以控制多達(dá)四個(gè)作為電源線性穩(wěn)壓器的外部電源N-MOSFET。

關(guān)鍵詞:LED;路燈照明;可變輸出;背光照明;HPWA

本系列的第1部分闡釋了電子工程師在使用s0～200個(gè)1W LED進(jìn)行路燈設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括:將總輸出電壓控制在某個(gè)安全限定范圍內(nèi)，使串并聯(lián)LED陣列中各串之間的電流相同、保證LED發(fā)生故障時(shí)的可靠性以及控制EMI(會(huì)隨著總功率的增加而變得難以控制)。

其中還介紹了將降壓穩(wěn)壓器用作每串LED恒流源的標(biāo)準(zhǔn)概念及其優(yōu)缺點(diǎn)。第1部分的結(jié)論是:只要提高功率，背光照明的常用系統(tǒng)架構(gòu)便可應(yīng)用于路燈照明。例如。圖1所示的六通道背光照明控制器LM3432，能以高達(dá)80V的輸出電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)通道高達(dá)40mA的電流?；诿總€(gè)LED的最大前向電壓v_F，LM3432可為每個(gè)通道的20～25個(gè)LED(總計(jì)120～150個(gè)LED)供電。該值是筆記本電腦的LCD顯示屏背光應(yīng)用中所需的典型的數(shù)量值，而該領(lǐng)域是該產(chǎn)品的主打市場(chǎng)之一。

動(dòng)態(tài)余量控制

LM3432的每個(gè)通道均為配置成恒流下沉的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器對(duì)于提高功率效率沒(méi)有明顯效果，所以為了有效地給LED供電，LM3432搭配了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(圖1中的SNIPS)，用于為L(zhǎng)ED提供電源電壓，更重要的是接收來(lái)自LM3432的指令以動(dòng)態(tài)調(diào)整V_o，使跨越每個(gè)線性穩(wěn)壓器的電壓永遠(yuǎn)最低。V_o的調(diào)整基礎(chǔ)是參照各串中電壓最高的通道。即使是已針對(duì)前向電壓進(jìn)行分級(jí)的LED也會(huì)表現(xiàn)出一些差異，而且由于熱量原因，目前未針對(duì)v_p中的壓降進(jìn)行分級(jí)。具有最高LED串總電壓的通道，是最接近線性穩(wěn)壓器電流下沉的壓差電壓值的通道。此通道會(huì)將來(lái)自主電源的電壓控制在剛好不受壓降影響的范圍內(nèi)。作為“主通道”的通道可以并確實(shí)地會(huì)動(dòng)態(tài)更改，因此稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整功能(DHC)。DHC可將整個(gè)系統(tǒng)的功率效率提高至90%以上，使其成為直接驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

超越多個(gè)降壓穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)

與第1部分中詳細(xì)介紹的多個(gè)降壓穩(wěn)壓器解決方案相比，利用可變輸出電壓為一系列線性穩(wěn)壓器供電的單個(gè)大型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其在移動(dòng)電話、筆記本電腦及GPS設(shè)備中，所需的物理空間與成本都較低。將其應(yīng)用到以350mA電流驅(qū)動(dòng)50～200個(gè)1W LED的路燈照明系統(tǒng)中，在EMI(電磁干擾)與拍頻方面的優(yōu)勢(shì)將尤為顯著。雖然為L(zhǎng)M3432等背光照明芯片供電的升壓穩(wěn)壓器使用的是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格濾波的直流輸入，但路燈照明與HPWA應(yīng)用是通過(guò)交流電源來(lái)驅(qū)動(dòng)。這使主要電源受許多法律要求的制約。雖然安全與功率因數(shù)校正都非常重要，但在電子產(chǎn)品上市時(shí)必須遵循的所有法規(guī)中，要求最嚴(yán)格的通常是管制EMI的相關(guān)法規(guī)。圖2示意了對(duì)于共有4串、每串各有14個(gè)LED的系統(tǒng)(總電壓控制在60VDC以下)，多個(gè)降壓穩(wěn)壓器方案將需要5個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。依據(jù)總輸出功率，AC-DC部分可能會(huì)如同經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正的單級(jí)反激穩(wěn)壓器一樣簡(jiǎn)單。為了提高效率，此類(lèi)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率很少超過(guò)200 kHz。但每個(gè)降壓穩(wěn)壓器很可能會(huì)以500 kHz等較高頻率工作，以減小輸出電感器的大小。這樣，系統(tǒng)中便已經(jīng)存在具有不同濾波需求的兩種開(kāi)關(guān)頻率。如第1部分所述，若未在每個(gè)降壓LED驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行頻率同步，則可能會(huì)存在拍頻EMI，因?yàn)槊總€(gè)降壓穩(wěn)壓器會(huì)工作在稍微不同的頻率下。

LM3464是一種新型LED驅(qū)動(dòng)器控制器，它將背光照明的多通道、DHC技術(shù)與更高的輸出電流相結(jié)合。每個(gè)LM3464可以控制多達(dá)四個(gè)作為電源線性穩(wěn)壓器的外部電源N-MOSFET，其中，每個(gè)通道的最大平均電流建議可達(dá)500mA。圖3示意了LM3464如何像LM3432控制DC-DC升壓穩(wěn)壓器一樣，控制隔離的AC-DC離線式主電源。即使每個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)電流為350mA，LM3464的功率效率也能超過(guò)95%，輕松實(shí)現(xiàn)與四個(gè)經(jīng)過(guò)周密設(shè)計(jì)的降壓LED驅(qū)動(dòng)器所發(fā)揮的相同效果。圖2與圖3之間的一個(gè)重要差異是LM3464不會(huì)產(chǎn)生任何新的開(kāi)關(guān)頻率，唯一的開(kāi)關(guān)噪聲來(lái)自AC-DC部分。

整體系統(tǒng)效率在很大程度上還取決于AC-DC穩(wěn)壓器。PFC反激穩(wěn)壓器雖然很經(jīng)濟(jì)，但效率極少超過(guò)85%。當(dāng)功率等級(jí)超過(guò)50～75W時(shí)，更常見(jiàn)的方法是升壓PFC前級(jí)穩(wěn)壓器后接正向轉(zhuǎn)換器。由于熱量是影響LED性能與使用壽命的主要問(wèn)題，而且產(chǎn)生的熱量與功率效率成反比，所以PFC升壓穩(wěn)壓器后接共振轉(zhuǎn)換器即使在100～200w范圍內(nèi)同樣適用。

精確度、故障報(bào)告及熱量折環(huán)

當(dāng)具有單一參考電壓的一個(gè)Ic控制所有LED時(shí)，就會(huì)更容易使備串之間的電流相符。假設(shè)感測(cè)電阻器的公差為1%，LM3464將保證各串LED相互之間的電流差在±3%以?xún)?nèi)。如圖4中所示，檢測(cè)到LED因開(kāi)路或短路而發(fā)生故障，并且可配置為僅關(guān)閉受影響的通道或關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。作為進(jìn)一步的替代方案，您可以對(duì)LM3464進(jìn)行編程，以“間斷”方式繼續(xù)循環(huán)，直到清除故障為止。LED路燈通常包含可對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行解釋與響應(yīng)的系統(tǒng)微控制器。高級(jí)系統(tǒng)甚至可以使用電源線或無(wú)線通信報(bào)告問(wèn)題。

LM3464男一個(gè)主要的安全與可靠性功能是熱量返還。通過(guò)使用位于LED陣列中間的NTC熱敏電阻或溫度傳感器，一旦溫度超過(guò)可編程的閾值，即可通過(guò)PWM光暗調(diào)節(jié)逐漸減少每個(gè)通道的平均輸出電流。熱量是LED系統(tǒng)的頭號(hào)“敵人”。小鳥(niǎo)在散熱器上筑巢這個(gè)有趣但嚴(yán)肅的真實(shí)示例，說(shuō)明了熱量返還是很有必要的。即使一群海鷗以路燈為巢，設(shè)計(jì)師也要保證至少LED能輸出部分光線以符合道路安全法的規(guī)定。因此，LM3464還允許設(shè)計(jì)師選擇或在給定溫度下完全關(guān)閉系統(tǒng)的熱量返回環(huán)路，或在驅(qū)動(dòng)電流最低時(shí)可出現(xiàn)第二個(gè)斷點(diǎn)的環(huán)路。

菊花鏈與奇數(shù)串

并非所有系統(tǒng)都有四個(gè)通道，因此LM3464能以圖6中所示的菊花鏈方式工作。DHC控制環(huán)路將會(huì)比較每個(gè)LM3464中每個(gè)通道的汲極電壓。同樣。如果系統(tǒng)需要三、六或無(wú)法被四除盡的其它通道組合，則可禁用任一LM3464中的通道，最多可禁用三個(gè)通道。

結(jié)論

對(duì)于希望每串LED都有專(zhuān)用電流源，但在為每串LED配置降壓穩(wěn)壓器時(shí)遇到問(wèn)題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，將主電源和多通道線性穩(wěn)壓器與動(dòng)態(tài)余量控制功能搭配使用，將是理想的選擇。LM3464可在保持高功率效率、高可靠性以及高控制能力的同時(shí)，提供更小、更便宜且更簡(jiǎn)單的方案選項(xiàng)。