浅谈大功率长寿命LED照明系统解决方案

　随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。LED拥有更高的效率与更长的使用寿命。

　　下文将讨论LED驱动器满足这些要求的工作原理，并对AC/DC降压转换器如何高效地驱动30只同串的高亮度LED进行说明。

　　此外，本文还将给出另外一种实现方法的结构示意图，即采用隔离式AC/DC电源及一款具有动态余量控制的LM3464。通过避免电磁干扰，该方案具有极高效率。

　　简介

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

　　LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小它的亮度越高，没有什么超亮不超亮的，那是骗小孩的，如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的，只是生产工艺不一样，使用寿命略有不同，因为大家用的都是那几家国外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了，亮度相差好几十倍了，如果是用于照明用的，在户外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。

　　图一给出了结构框图，该方案无需电流隔离并提高了工作效率。总系统效率更多地取决于AC/DC隔离变压器。反激式PFC虽然经济，但效率很难超过85%。在第一个方案中，在散热装置和LED之间使用绝缘胶层或陶瓷层进行隔离，由于变压器无须隔离，其效率变得更高。

　　图1，结构图

　　该电源的主要目的是将整流AC输入转换为DC稳压电流，以下是一个优化示例，示意在350mA电流下如何驱动功率达到35W的30个高亮度白光LED。该电源为LED提供了保护，限定了瞬态输入电压，并在热插拔时避免了电流浪涌。总的电源一致性（电源母线谐波（EN），电源母线干扰，国际安全标准等）全部符合欧洲标准（EN）。[!--empirenews.page--]

　　下面是一个使用镇流器对35W的T8管进行替换的示例，见图2。在LED串开路、短路或过载的情况下，可以保护镇流器以免发生故障。它确保了任何元件都不会在故障下过热或烧毁，以确保设计的稳定性。

　　图2，使用镇流器时35W的T8灯管进行替换。

　　镇流器与T8的主要特点如下：

　　适用于欧洲输入电压范围，但可以进一步扩展到从85VAC?265VAC的更宽范围。

　　PF为0.98

　　输出电流为350mA

　　输出电压为100V±20%（取决于LED VF）

　　母线谐波符合EN61000 - 3 - 2 C类标准要求

　　电磁干扰（导电性）符合EN55022 标准要求

　　电磁干扰（辐射）符合现行EN55022 标准要求

　　效率为87%

　　符合现行安全标准要求

　　被动冷却方式

　　温度范围-20 ° C?+65 ° C

　　使用聚合物电容器延长寿命

　　使用共享电流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的欧司朗T8管。[!--empirenews.page--]

第一级PFC

　　大多数基本的AC/DC电源在输入线路中都会产生谐波失真且功率因数较差，因此很难满足欧洲标准EN - 61000 - 3 – 2的要求。该解决方案使用PFC电路，使输入电流波形与输入电压波形同样为正弦波波形。

　　对于镇流器产品，则符合欧洲EN - 61000 - 3 - 2C类标准。该标准适用于所有的照明产品，包括有源输入功率大于25W的调光设备。

　　由于LED驱动器具有更高输入纹波，在380 VDC环境中将用较小电容。由于故障率较高，为保持长久的使用寿命，不允许使用电解电容器。

　　这种镇流器使用EPCOS薄膜电容器来替代电解电容，根据内部指标对所有组件的额降值加以限定，这最大限度地减小了故障率，延长了整个系统的使用寿命。

　　第二级是LED驱动器 ， 选用了LM3445恒流控制器。

　　LM3445是一个具有自适应恒定关断时间的AC/DC降压恒流控制器，兼容三端双向可控硅开关（TRIAC）调光与脉冲宽度调制（PWM）信号。LM3445为大功率LED照明提供了恒定的电流值，调光解码器允许更宽范围的LED调光。

　　图3 详细地示意了LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。

　　该周期可划分为几个不同阶段，曲线如下：

　　1.闭合阶段

　　2.导通阶段

　　3.断开阶段

　　4.断开阶段，能量转移至负载

　　图3，LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。

　　该LED驱动器采用恒定关断时间控制，通过一串LED调节电流。当MOSFET导通时，通过电感器的LED电流增加，直到达到由参考电压和电流检测电阻限定的峰值为止。达到该峰值电流后，MOSFET关断，同时二极管在Toff期间导通。[!--empirenews.page--]

　　为驱动更多的LED，进行了一些改进，包括成功串接了60只LED。在输出功率为70W时，其总效率可达92%，通过并联其他LM3445可以驱动多串LED（每串30只），但将需要更多电缆，以连接LED 。

　　图4，采用多串LED的解决方案。

　　另一种方法如图 4 所示 。其中主电源一侧的输出电压低于60V，这符合UL1310标准Class 2对最高电压的限制要求。当隔离系统中要求限定次级电压时，唯一的选择是多串LED。

　　在次级，LM3464是一款多通道LED驱动控制器。作为线性稳压器，每个LM3464最多可控制四个外部功率N-MOSFET，因此，能够控制多串LED，而每串可串联多达15个LED。

　　每通道最大的平均电流值可达500mA，图 4 示意了LM3464如何控制绝缘AC/DC 初级离线电源，通过LM3464发出的指令可以对Vo动态调整从而使通过每个线性稳压器的电压值保持最低。图1和图4的一个重要区别在于LM3464无需新的开关频率，这对于控制EMI而言极为重要，因为随着总功率的增加EMI会越来越难以控制，而 唯一的开关噪声来自于AC/DC部分。

　　结论

　　本文讨论了驱动更多数量LED的不同方法。第一个解决方案使用PFC作为标准的升压装置以驱动一个有隔离散热装置的LED串（30只） ，这对于需要多串多数量LED的设计工程师来讲是一个极具吸引力的选择。示例着重于LED的更换，LED灯管的详细信息可以根据需求提供。如果设计正确，除了高能效以外，LED灯管和镇流器都有很长的使用寿命。对于传统的照明装置来讲，维护费用一直是一笔很大的开销，而使用LED灯管能将维护费用降至最低。

　　第二个解决方案使用一个一次电源和动态余量控制的多通道线性稳压器。工程师想给每串LED串配备一个专属电源，但是在每个LED串中使用降压调节器会出现问题。对于他们来讲，这个解决方案确实极具吸引力。该LM3464提供了一个体积更小，价格更便宜，使用更简单的选择，同时保持高功率效率、高可靠性和极佳的电磁兼容性能（EMC）。

　　此外，中国的LED照明还存在一系列其它问题，例如中国目前还没有LED灯具国家标准，只有一些地方的标准；我国本土LED灯具造型创新设计能力明显不足等。要解决好这些问题，才能使LED产业发展更加健康，LED产品才能更适应大众的需要。市场主导是LED照明产业可以长期健康发展的基础，政府要在政策、法规、研发投入、应用示范和标准等多方面来引导和扶持，全国一盘棋，整体规划，才能引导LED产业持续健康发展。