150W多串LED驱动器设计

多串LED线路广泛应用于路灯、洗灯和其他一般照明产品。一般解决驱动多串LED线路的方法是使用多通道线性电流稳压器。使用线性电路的方法后，稳压器就没有产生电磁干扰的问题了。和使用个别LED驱动器驱动每个LED线路的方法比较起来，多通道解决方案可以提供较好的串对串电流準确度，也比较容易检测与发现LED线路的故障。线性电流稳压器是一个直流电源输入装置，可以是一个交流/直流的转换器，或是一个直流/直流的转换器。如果电源是直流电，电压远低于LED线路的顺向电压，我们就会使用到升压转换器。本文将介绍使用升压转换器和线性电流稳压器的4串LED线路、150瓦的LED驱动器。表1所示为其设计的规格。

电路概述

图1所示为一个150瓦LED驱动器的方块图。由图可看出其为升压转换器使用一个LM3430的控制器，控制器电源来自18～24V的直流系统轨电压(VRAIL)，用以供应LED线路。LED电流受到一个4通道线性电流稳压器LM3464调节。动态余量控制(Dynamic Headroom Control， DHC)方法会被执行以求达到最大的效率。这主要是包含到从LM3464到LM3430的讯号迴授，为了让电力损失最小化，LM3430就会适度地调整系统轨电压到最小值。在LED电源开启时，LED的顺向电压因温度升高而慢慢降低(以分鐘计)并减少运行中的轨电压，这样就能够有效降低电流稳压器的电力损失，也因此提升整体效能。

线性多串LED驱动器

图2所示为由LM3464执行的四通道线性电流稳压器图解，每个LED线路都是由系统轨电压供电动，也连接着它相应的线性电流稳压器(1～4通道)。这是由金氧半场效晶体管(Q1～Q4)和一个感测电阻器(RSNS1到RSNS4)所组成。金氧半场效晶体管由LM3464控制，使得感测电阻器上的跨压因而下降，被调节到0.2V，从而调节LED电流。

LM3464电路主要设计的元件是迴授电阻器电路RFB1、RFB2和RDHC，这和VRAIL(nom)的电压準位VDHC_READY、VLED和VRAIL(peak)有关，如图3的启动波形所示。在启动时，LM3430在LM3464之前启动，以执行升压转换器，同时将 VRAIL调节至VRAIL(nom)。在这段期间没有动态余量控制因为LM3464还没启动。其次当CDHC 的电压(一个电容器从LM3464的CDHC引线连接到地面)到达5.55V时，LM3464将VRAIL提高到VDHC_READY，这是一个高到足以开启LED线路的电压。

之后，动态余量控制就会启动，将VRAIL调节至VLED，能以最小电压开启所有LED线路以获得最大的效率。因此，VRAIL(nom)和VDHC_READY的设计值是参考VLED，足以支援VLED的差异。在本文中，VLED是39V，VRAIL(nom)和VDHC_READY分别被设计成30V和42V。最后，当LM3464的OutP引线连接地面发生短路时，VRAIL(peak)会产生最大值的VRAIL。VRAIL(peak)也可能是最高的VRAIL，让升压转换器能够输出。因此，升压转换器必需能够输出VRAIL(peak)，而不超过输出额定电压。在本文中，VRAIL(peak)是设定在45V，所以额定电压是50V的输出电容器都可以使用。

主要元件的设计

下列步骤是主要元件的选择细节，包括RFB1、RFB2、RF1、RF2、 RDHC，也涉及VRAIL(nom) 、VDHC_READY、VLED、VRAIL(peak)。

RFB1和RFB2：藉由LM3430透过VDHC接脚流入电流，LM3464提高了VRAIL，直到VLedFB接脚的电压到达2.5V时，VRAIL会达到42V的VDHC_READY。迴授电阻器RFB1和RFB2分别被设计成57.6k?和3.65k。

RF1和RF2：当VRAIL(nom)是30V时，从LM3430上FB接脚的电压会被调节至1.25V，而迴授电阻器RF1和RF2分别被设计成1.91k?和44.2k。

RDHC：RDHC的值可以根据VRAIL(peak)来定义，在本文中，VRAIL(peak) 是45伏，RDHC是1.7kΩ。

电流侦测电阻器： 流过感测电阻器的电流，电阻器的跨压时被调节成0.2V。在本文中，LED的电流是1A，所以感测电阻器被设计成0.2Ω(=0.2V/1A)。

升压转换器

图4所示为LM3430所执行的升压转换器图解，以下是选择主要元件细节的说明。

电感器选择：对于一个24V典型的输入电压来说，藉由动态余量控制的方法能将VRAIL调节至VLED为39伏，经计算后的输入电流和负载比率是6.5A和38.5%。常见的选择有电感器电流波ILripple，是一般电感器电流的30%，就是1.95A。300kHz的开关频率，即时ton是1.28μs。因此可以得出计算的电感值为15.7μH，标準值15μH会被选定。另一方面，当输入的电压最小时(18V)，输入的电流是最大，也就是8.67A。考虑到效率问题时，实际输入的电流可能比计算值大很多。我们应该选择有高饱和电流和低等效串联电阻。

金氧半场效晶体管和二极管：金氧半场效晶体管和二极管的额定值视其开启电流而定，这和输入电流最大值有关。在150瓦输出电源的情况下，电源功耗很大，所以需要一个好的散热器。

输出电容器和滤波器：输出电容器控制着升压转换器的输出电压涟波。这也和调光期间输出电压的暂态回应有关，应选择具负载变化的升压转换器。这边选用了470μF的电容器。为了进一步减少轨道电压的涟波，我们也选用一个2.2μF的陶瓷电容器和一个LC滤波器。当VRAIL(peak) 为45V时，输出电容器的额定电压大于50V。最后我们会应用LC滤波器以进一步减少VRAIL的电压涟波。

补偿设计：由R1、C1组成的一个主导极点，和一个内部运算放大器被设计成闭迴路循环。闭迴路的直流电增益为40dB，这是高到足以让VRAIL获得一个小稳态误差的状况。此外，稳态误差同时可经由动态余量控制达到最小化。截止频率被设计成5kHz。这是在LED调光期间，在暂态负载的情况下所获得很好的暂态回应。

测量结果

图5、6所示为升压转换器开关节点的波形，和当输入电压是18V与24V时LED的总电流。我们也能看到开关节点中稳定波形和良好调节的LED电流。图7所示为24V输入电压在调光期间的表现。在升压转换器的输出电压中，我们能得到良好的暂态回应(正负尖峰期值小)，而且LED电流在调光讯号的应用下可以快速反应。表2为此有效率的方法的总结。在152瓦输出电源情况下，整体的效率达到90%左右。