利用SIMPLE驅動多變壓器來驅動高功率LED照明
在諸如路燈、高棚燈體育場照明以及其他許多高功率照明應用中,其發(fā)展正轉向使用 LED 作為光源的固態(tài)照明。這是因為其更高能效和更低維護頻率的價值定位,而這兩個因素也證明了這種轉換的合理性。在此類高功率照明應用中,人們考慮使用各種各樣的方法來驅動這些照明燈。本文中,我們將討論一種新的拓撲,它以更高的效率和更低的系統(tǒng)成本驅動多個 LED 串而著稱。
要想充分地了解這種拓撲的優(yōu)點,我們就必須首先研究現在考慮使用或者已經在低功率 LED 應用中取得較好效果的各種方法。一種簡單的方法是,使用一個能夠將電源電壓轉換為 DC 輸出電壓(例如:12 伏或 24 伏)的電源;然后,讓并聯(lián) LED 串在這個電源下工作,并在每個串中使用電阻器來調節(jié)電流。這是一種低成本的方法。但是,當今的高亮度 LED 可消耗超過 350mA 的電流,因此這種方法的損耗極大。它的效率較低,而且電流調節(jié)效果較差,而這又會使串與串之間的光線差異極為明顯。
要改進這種方法,需用線性穩(wěn)壓器取代電阻器,從而改善所有串的光線輸出一致性。但是這樣做僅有這一個好處,而在效率或功耗方面并沒有明顯的改善。降低功耗對于最大化 LED 使用壽命來說非常重要。這兩種方法中,無論是將電阻器還是線性穩(wěn)壓器用作固定熱源,都會極大地縮短 LED 的使用壽命。
另一種同樣非常簡單的方法是制作一個長長的單一串聯(lián)串,使用一個能夠產生高壓 DC 恒定電流源的單電源。這種方法的高壓工作將其置于 60VDC 或 42V RMS 安全超低壓 (SELV) 電平以上。它將照明設備或附件與安全機構許可過程綁定,并極大地降低了將相同電氣設計運用到其他應用中的靈活性。
單串方法的另外一個考慮因素是可靠性。如果只有一個 LED 開啟,那么您就要釋放整個照明設備的光線輸出。雖然有一些方法可以控制每一個 LED 開啟,例如:加裝許多消弧電路 (crowbar) 或器件等,但是這會增加燈具的成本和復雜性。
高功率 LED 照明應用中最為常用的方法是,使用具有開關穩(wěn)壓器電流調節(jié)的多串架構。這樣,一個主電源就將 AC 電源轉換為一個 DC 總線電壓,其一般在 SELV 電平以下。然后,該總線為并聯(lián) LED 串供電,其每一個串都擁有一個降壓轉換器(最為常見)或升壓轉換器。為了簡單起見,我們將會把我們的分析僅局限于降壓轉換器,因為在成本和組件數目方面它都與升壓轉換器非常類似。
例如,圖 1 顯示的是低成本簡易降壓穩(wěn)壓器電路。它由一個 PWM 控制器、電感、MOSFET、二極管以及少量的電阻和電容組成。如果要求更高的效率,則您可以用一個 MOSFET 代替二極管,并使用一個能夠實現同步降壓運行的 PWM 控制器。
圖 1 簡單的降壓穩(wěn)壓器
圖 2 顯示的是一個利用降壓穩(wěn)壓器進行電流調節(jié)的高功率、多串照明應用的各個子系統(tǒng)模塊。
圖 2 使用降壓穩(wěn)壓器的典型高功率LED照明系統(tǒng)
AC 電源輸入經過整流,供給一個功率因數校正 (PFC) 升壓電路,其 PFC 會產生一個 400V 的高壓,從而向下游隔離 DC/DC 轉換器提供輸入。之后,該 DC/DC 轉換器輸出被用于產生一個低壓總線(一般為 12V 或 24V 范圍),從而向經過降壓調節(jié)的 LED 串供電。
這種方法擁有較高的效率,也是最小 LED 串的理想選擇。但是,對于那些具有 4 個或更多串的高功率應用來說,組件數量和成本都會有所增加。就電子組件廠商和供應鏈來說,可能會有可觀的銷售。然而,對于照明設備廠商及其用戶來說,高成本并不利于產品的廣泛使用。固態(tài)照明的長期穩(wěn)定發(fā)展需要的是低成本驅動電路,它可以讓這個市場成型并順利發(fā)展。
圖 3 顯示的是一個串聯(lián)輸入多并聯(lián) LED (SIMPLE) 驅動器。它是一種高性價比的多 LED 串驅動方法。除 PFC 外,它是一種兩級方法,包括一個反向恒定電流降壓穩(wěn)壓器和一個下游 DC/DC 變壓器電路。它極為高效,具有優(yōu)異的串電流調節(jié)功能,并且(最為重要的是)還是一個低成本的方法。它本身還可以具有為每個串加裝的單無源作用硅芯片控制的整流器 (SCR) 消弧電路冗余。如果一個 LED 或串開啟,它不會釋放其余串。
在我們深入研究其運行情況之前,讓我們首先對那些使用 SIMPLE 驅動多變壓器方法時突出的問題進行一些討論。首先,我們要注意,這是一種電隔離設計,其二次側輸出電壓可設計在 SELV 電平以下。當輸出電壓保持在 SELV 電平以下時,其就消除了讓照明設備與電源結合的要求,并且互連獲得了安全機構的許可。讓輸出保持在這些電平以下,增加了其本身的靈活性,從而使各種燈具可以滿足許多其他照明應用的要求。電源仍然要求安全許可,正如本文中討論的所有離線解決方案一樣,但是燈具卻不需要。
另外,從散熱管理的角度來看,這種隔離設計則更加理想,因為沒有了對 LED 接近性或接觸金屬附件的諸多限制。另一個顯著的特點是,它不要求輸出端反饋。這就去除了光電或其他安全規(guī)定的隔離反饋器件。最后,我們來看這種二次側的簡易性。它只有很少的無源組件,并且沒有偏置電源、有源組件或任何種類的控件。
談及運行,SIMPLE 驅動器擁有優(yōu)于 1% 的極好的串電流匹配。它具有可獲得高效率的諧振運行,并且隨著串數量的增加其性價比也會更高。
圖 3 SIMPLE驅動多變壓器
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