需要大量LED的路燈照明方案 第I部分: 系統需求和現有解決方案

圖4 具有交叉連接式LED串并聯陣列

不平衡的電流會產生不平衡的熱量，從而導致消耗過多電流的LED 的發光功效立即降低，并使其快速退化。LED 路燈必須產生光束模式為 Y 的 X 個流明數，且必須能正確工作數年之久。確保系統不只在第 1 天更能在隨后的五年或 50,000 小時后仍能產生正確數量的光線的唯一方法是令每個LED串都有一個控制電流源。

多個降壓穩壓器

在開關穩壓器當中，降壓穩壓器是有口皆碑的，因為它天生就適合用作電流源。降壓穩壓器也是最簡單、最便宜且最省電的傳統硬開關式拓樸結構，且很多不同的廠商都提供了從控制 IC 到完整模塊的不同功率等級和配置的降壓穩壓器 LED 驅動器。具有多串 LED 的大功率 LED 驅動系統的傳統解決方案，是為每串LED安裝降壓穩壓器(如圖 5 所示)。由于降壓穩壓器只能降低輸出電壓，因此只要使降壓穩壓器的輸入電壓低于所需的閾值，即可確保在次級上獲得最大的直流電壓。由于早前在電信領域的普及以及常見的 60V DC的次級限制， 48V DC 是目前流行的輸入電壓值。這同時也為每串 12 個串聯的氮化銦鎵 (InGaN)LED，提供了介于最小輸入電壓和最大輸出電壓(LED 串電壓)之間合適的閾值。

圖5 適用于每個串的專用降壓穩壓器。其所有VO

為每串 LED 安裝降壓穩壓器的好處是能保證各串之間的電流相符，這對于要求較長使用壽命的高質量系統至關重要。每個降壓穩壓器均可通過 PWM 或線性調整 LED 電流來單獨調節光暗。部分降壓 LED 驅動器具有故障報告功能，所有降壓穩壓器均可設計成在一定的輸出電壓范圍下提供較高的功率效率。如果發生故障，每個降壓穩壓器均可向系統微控制器報告，在保持其他降壓穩壓器繼續工作的情況下，可以關閉一個或多個降壓穩壓器。

多個降壓穩壓器方案的缺點

為每串 LED 安裝一個降壓穩壓器的第一大缺點是成本，盡管在路燈照明及高可靠性 HPWA 中，成本并非在消費產品中那樣重要。每個降壓穩壓器需要一個功率電感器、一個輸入電容器(在大多數情況下還需要一個肖特基整流器和一個用于感測電流的功率電阻器)，以及用于不同模擬功能的各種小電阻器和電容器。多個降壓穩壓器系統的第二大缺點(開關電源設計師會更為關注，其它人可能會忽視)，是當多個大功率開關穩壓器全部從相同輸入電源軌供電時會產生電磁干擾 (EMI)。所有開關穩壓器在開關頻率諧波上均會產生 EMI 和基本開關頻率。當以相同電源為工作在幾乎相同頻率上的兩個或多個轉換器供電時，在輸入端通常會出現額外的 EMI(稱為拍頻)。在接近的兩個開關頻率的總頻率和差額頻率上，均會產生拍頻。降壓穩壓器提供完美符合 LED驅動需求 的平穩輸出電流，但它帶來大量非連續的輸入電流脈沖，使其比升壓穩壓器更容易產生拍頻。如果使開關頻率保持同步，則可以消除干擾。但遺憾的是，大多數降壓 LED 驅動器都不是固定頻率的基于時鐘的系統。非同步的遲滯和固定開路時間/固定斷路時間 (COT) 控制更為常見，因為容易適應 LED 陣列的動態負載，同時也因為遲滯和 COT 控制可提供快速的轉換率以獲得最佳 的PWM 光暗調節性能。此解決方案需要非常周密的 PCB (印制板)布局，并要對每個降壓穩壓器進行大量的輸入濾波。如圖 6 中所示，在許多情況下需要分立式輸入電感器，但即使不像消費產品那樣對空間和成本有嚴格的控制，這些電感器仍是不受歡迎的。

圖6 輸入電感器和周密的PCB布局有助于避免拍頻

結語

路燈與 HPWA 照明都不是首個面對是提高眾多 LED 的功率還是將其合理布局到單個串聯鏈中的僵局的應用。從移動電話的小 LCD 屏開始，到 GPS、汽車信息娛樂裝置、便攜式計算機，再到現在的大屏幕 LCD 電視，背光照明 LED已被用于越來越大的屏幕中。雖然降壓穩壓器統治著大功率 LED 驅動器市場，但升壓穩壓器與多個線性穩壓器的配合使用，才是背光照明系統的理想選擇。

本系列技術文章的第 II 部分，將探討如何拓展此類此前僅用于40～60 mA 驅動電流下的 LED 驅動系統的范圍與功率，以解決路燈與 HPWA 照明所面臨的主要問題。