模块化结构的高性能大功率LED驱动解决方案

 4 排列LED和选取驱动器IC

　　针对该示例中的设计， 将使用100 个1 W 的LED。选择48 V 的中间直流总线是一个明智之举， 因为有现成且输出功率选择范围广泛的AC - DC 电源可供选用。一个48 V 的降压LED 驱动器可用来驱动10个串联的LED。10个这样的驱动器可以构成明亮的灯， 可以用来运行所有的100个LED，而无需使用危险的电压。半导体制造商按照光通量、相关色温CCT和正向电压将他们的白光LED进行分类。对于保持一致的颜色和光输出来说， 按色温和光通量分类很重要， 但对LED 分类的规格越高， 成本也就越高。当使用各种档次的LED 时， LED 灯的设计必须适用于较宽的正向电压范围。因此每个LED 驱动器将被设计为350 mA 电流源， 可以从45 V ~ 51 V的输入电压产生30 V ~ 40 V 的输出电压范围， 从而使每个LED的VF的可能变化范围在3. 0 V ~ 4. 0 V。

　　LM3402HV 是一个具有内部功率N - MOSFET 的降压型稳压器， 运行电压高达75 V， 由于其最低过热电流限制为530mA， 因此也非常适合350 mA输出电流， 如有必要足以驱动纹波电流范围较宽的LED。图3显示了系统架构， 图4显示了每个LM3402HV 的完整电路。[!--empirenews.page--]

　　5 采用降压稳压器的设计难题

　　当使用降压稳压器驱动LED时,最主要的设计难题是如何处理当输入电压最低时输出电压却最高的情况。和许多开关稳压器相似，LM3402HV 无法无限地打开它的内部功率N - MOSFET。在每个开关周期中， 稳压器必须关闭300 ns（最短关断时间），以便刷新自举电容器，该电容器是驱动内部功率FET的电路的一部分。最短关断时间是固定的，由于300ns占据开关周期的比例会越来越大，因此可以获得的最大占空比会随着开关频率的提高而下降。以下这个示例，将基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 计算可能的最高开关频率fSW-MAX。下面的等式可用来计算fSW-MAX。

　　LM3402HV 的典型开关频率范围为50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通常可以在功率元件物理尺寸（如电感器，当开关频率越高时会越小）与功率效率（当开关频率越低时会越高）之间取得较好的平衡。

　　在本示例中， 无法使用500 kH z， 因此将使用370 kH z。

　　这将确保LED驱动器的元件尽可能最小， 同时在输入和输出电压条件最差期间仍能正常驱动所有10个LED。

 6 避免串并联陷阱

　　许多工程师会考虑由一个电流源驱动的串并联阵列， 如图5所示。对于本示例而言， 电路将成为以相同的30 V ~ 40 V 输出电压输出3. 5 A 的单个电流源。

　　这个方案实际上并不实用。首先，即使如图5中所示那样交叉连接，不同LED 的VF之间存在自然差异,这意味着来自驱动器的3. 5 A 将永远无法在不同LED 之间均匀分配。虽然可以非常严格地按照VF对LED进行分类，以此来改善电流不匹配，但这种改善只在LED 晶粒温度为25 度（进行分类的温度）时有效。一旦晶粒温度上升，VF开始下降。而且如同VF本身一样，不同LED的电压随温度变化的情况也不相同。在25度 时电流完美匹配的阵列在达到热稳态时，将再次变得不平衡。更为糟糕的是， LED电流之间存在正反馈回路，正向电压下降， 晶粒温度会上升。

　　那些VF下降较多的LED会抽取更多电流，导致其晶粒更热，从而导致VF进一步下降。

　　路灯设计师不采用串并联方法的第二个原因是LED发生故障时系统可靠性会变得很差。当LED 发生故障变为开路时，图6中所示的电流源将继续输出全部电流，会使增加的电流经过其余路径。LED 发生故障时也可能变为短路，这会导致阵列的电压大幅下降,造成不平衡。电流的任何不平衡会导致阵列中的其他LED过热，短时间内会减少光输出，长时间会降低流明维持率，这会导致灯过早变暗或报废。因此，为了获得可靠的LED 光源，每个LED串应该有它自己专用的电流源（或电流库）。

　　7 小结

　　在许多消费类照明领域， 白炽灯泡、荧光灯管等现有技术的成本非常低， 以致于LED 照明的许多优点都无法弥补其初始购买价格较高这一缺憾。路灯照明的情况则明显不同。因为LED 路灯照明具有较长的寿命， 高可控性， 非常符合政府的需要， 而且也便于政府评估LED路灯的拥有成本与初始购买价格。由于配备了良好的散热设备和强大的驱动电路， 这是LED 路灯方案的价值所在。笔者提出的驱动器解决方案， 很好地达到了较高的初始成本与延长使用寿命之间的平衡。每个路灯可以控制它的光输出、响应并报告故障， 以及与相邻路灯通信， 从而为社区提供高效、可靠的服务。