高功率LED照明驱动应用的新方法

　　摘要：传统高功率LED驱动电源大多采用直流并联LED的方式工作，成本低，容易实现，但目前高亮度LED消耗的电流可达350mA甚至更高，因此传统方法的损耗极大，效率低;本文提出了一种串联输入多并联驱动电源的实现方法，具有高性价比，输出电流大，失真度低，且具有优异的串电流调节功能等优点。

　　引言

　　在诸如路灯、高棚灯、体育场照明以及其他许多高功率照明应用中，其发展正转向使用LED作为光源的固态照明。这是因为其更高能效和更低维护频率的价值定位，而这两个因素也证明了这种转换的合理性^[1]。

　　在此类高功率照明应用中，人们考虑使用各种各样的方法来驱动这些照明灯^[1-9]。本文中，我们将讨论一种新的串联输入多并联驱动方式的拓扑结构，它具有更高的效率和更低的系统成本，并且可以驱动多个LED。

　　工作原理

　　要想充分地了解这种拓扑的优点，我们就必须首先研究现在考虑使用或者已经在低功率LED应用中取得较好效果的各种方法。

　　一种简单的方法是，使用一个能够将电源电压转换为DC输出电压(例如：12伏或24伏)的电源;然后，让并联LED串在这个电源下工作，并在每个串中使用电阻器来调节电流^[1]。这是一种低成本的方法。但是，当今的高亮度LED可消耗超过350mA的电流，因此这种方法的损耗极大。它的效率较低，而且电流调节效果较差，而这又会使串与串之间的光线差异极为明显。

　　要改进这种方法，需用线性稳压器取代电阻器，从而改善所有串的光线输出一致性[2]。但是这样做仅有这一个好处，而在效率或功耗方面并没有明显的改善。降低功耗对于最大化LED使用寿命来说非常重要。这两种方法中，无论是将电阻器还是线性稳压器用作固定热源，都会极大地缩短LED的使用寿命。

　　另一种同样非常简单的方法是制作一个长长的单一串联串，使用一个能够产生高压DC恒定电流源的单电源^[3]。这种方法的高压工作将其置于60VDC或42VRMS安全超低压(SELV)电平以上。它将照明设备或附件与安全机构许可过程绑定，并极大地降低了将相同电气设计运用到其他应用中的灵活性。

　　单串方法的另外一个考虑因素是可靠性。如果只有一个LED开启，那么您就要释放整个照明设备的光线输出。虽然有一些方法可以控制每一个LED 开启，例如：加装许多消弧电路(crowbar)或器件等，但是这会增加灯具的成本和复杂性^[4]。

　　高功率LED照明应用中最为常用的方法是，使用具有开关稳压器电流调节的多串架构^[5]。这样，一个主电源就将AC电源转换为一个DC总线电压，其一般在SELV电平以下。然后，该总线为并联LED串供电，其每一个串都拥有一个降压转换器(最为常见)或升压转换器。为了简单起见，我们将会把分析仅局限于降压转换器，因为在成本和组件数目方面它都与升压转换器非常类似。

　　例如，图1显示的是低成本简易降压稳压器电路。它由一个PWM控制器、电感、MOSFET、二极管以及少量的电阻和电容组成。如果要求更高的效率，则可以用一个MOSFET代替二极管，并使用一个能够实现同步降压运行的PWM控制器^[6]。

　　图2显示的是一个利用降压稳压器进行电流调节的高功率、多串照明应用的各个子系统模块。

　　AC电源输入经过整流，供给一个功率因数校正 (PFC)升压电路，其PFC会产生一个400V的高压，从而向下游隔离DC/DC转换器提供输入。之后，该 DC/DC转换器输出被用于产生一个低压总线(一般为12V或24V范围，从而向经过降压调节的LED串供电^[7]。

　　这种方法拥有较高的效率，也是最小LED串的理想选择。但是，对于那些具有4个或更多串的高功率应用来说，组件数量和成本都会有所增加。就电子组件厂商和供应链来说，可能会有可观的销售。然而，对于照明设备厂商及其用户来说，高成本并不利于产品的广泛使用。固态照明的长期稳定发展需要的是低成本驱动电路，它可以让这个市场成型并顺利发展。

　　图3显示的是一个串联输入多并联LED(SIMPLE)驱动器。它是一种高性价比的多LED串驱动方法。除PFC外，它是一种两级方法，包括一个反向恒定电流降压稳压器和一个下游DC/DC变压器电路。它极为高效，具有优异的串电流调节功能，并且(最为重要的是)还是一个低成本的方法。它本身还可以具有为每个串加装的单无源作用硅芯片控制的整流器(SCR)消弧电路冗余。如果一个LED 或串开启，它不会释放其余串。

　　在我们深入研究其运行情况之前，让我们首先对那些使用SIMPLE驱动多变压器方法时突出的问题进行一些讨论。首先，我们要注意，这是一种电隔离设计，其二次侧输出电压可设计在SELV电平以下。当输出电压保持在SELV电平以下时，其就消除了让照明设备与电源结合的要求，并且互连获得了安全机构的许可。