模塊化結構的高性能大功率LED驅動解決方案

5 采用降壓穩壓器的設計難題

當使用降壓穩壓器驅動LED時,最主要的設計難題是如何處理當輸入電壓最低時輸出電壓卻最高的情況。和許多開關穩壓器相似，LM3402HV 無法無限地打開它的內部功率N - MOSFET。在每個開關周期中， 穩壓器必須關閉300 ns(最短關斷時間)，以便刷新自舉電容器，該電容器是驅動內部功率FET的電路的一部分。最短關斷時間是固定的，由于300ns占據開關周期的比例會越來越大，因此可以獲得的最大占空比會隨著開關頻率的提高而下降。以下這個示例，將基于40V的VO-MAX和45V的VIN-MIN， 計算可能的最高開關頻率fSW-MAX。下面的等式可用來計算fSW-MAX。

LM3402HV 的典型開關頻率范圍為50 kH z~ 1MHz，且采用500 kH z，通常可以在功率元件物理尺寸(如電感器，當開關頻率越高時會越小)與功率效率(當開關頻率越低時會越高)之間取得較好的平衡。

在本示例中， 無法使用500 kH z， 因此將使用370 kH z。

這將確保LED驅動器的元件盡可能最小， 同時在輸入和輸出電壓條件最差期間仍能正常驅動所有10個LED。

6 避免串并聯陷阱

許多工程師會考慮由一個電流源驅動的串并聯陣列， 如圖5所示。對于本示例而言， 電路將成為以相同的30 V ~ 40 V 輸出電壓輸出3. 5 A 的單個電流源。

這個方案實際上并不實用。首先，即使如圖5中所示那樣交叉連接，不同LED 的VF之間存在自然差異,這意味著來自驅動器的3. 5 A 將永遠無法在不同LED 之間均勻分配。雖然可以非常嚴格地按照VF對LED進行分類，以此來改善電流不匹配，但這種改善只在LED 晶粒溫度為25 度(進行分類的溫度)時有效。一旦晶粒溫度上升，VF開始下降。而且如同VF本身一樣，不同LED的電壓隨溫度變化的情況也不相同。在25度 時電流完美匹配的陣列在達到熱穩態時，將再次變得不平衡。更為糟糕的是， LED電流之間存在正反饋回路，正向電壓下降， 晶粒溫度會上升。

那些VF下降較多的LED會抽取更多電流，導致其晶粒更熱，從而導致VF進一步下降。

路燈設計師不采用串并聯方法的第二個原因是LED發生故障時系統可靠性會變得很差。當LED 發生故障變為開路時，圖6中所示的電流源將繼續輸出全部電流，會使增加的電流經過其余路徑。LED 發生故障時也可能變為短路，這會導致陣列的電壓大幅下降,造成不平衡。電流的任何不平衡會導致陣列中的其他LED過熱，短時間內會減少光輸出，長時間會降低流明維持率，這會導致燈過早變暗或報廢。因此，為了獲得可靠的LED 光源，每個LED串應該有它自己專用的電流源(或電流庫)。

7 小結

在許多消費類照明領域， 白熾燈泡、熒光燈管等現有技術的成本非常低， 以致于LED 照明的許多優點都無法彌補其初始購買價格較高這一缺憾。路燈照明的情況則明顯不同。因為LED 路燈照明具有較長的壽命， 高可控性， 非常符合政府的需要， 而且也便于政府評估LED路燈的擁有成本與初始購買價格。由于配備了良好的散熱設備和強大的驅動電路， 這是LED 路燈方案的價值所在。筆者提出的驅動器解決方案， 很好地達到了較高的初始成本與延長使用壽命之間的平衡。每個路燈可以控制它的光輸出、響應并報告故障， 以及與相鄰路燈通信， 從而為社區提供高效、可靠的服務。