一個三級電源就可高效驅動多個 LED 串

摘要： 應用電源可靠性JAMESALIBERTI說：一個PFC級即反向恒流降壓穩壓器和一個下行DC/DC變壓器電路就可以高于90%的效率驅動LED。諸如路燈、體育場照明的高頂棚燈等一些高功率LED照明應用之所以青睞多串架構是有多方面原因的，其中主要包括：易于設計性、靈活性和安全性因素。主要的工程難題就是效率、長使用壽命以及均勻的光輸出等。長使用壽命和較高的效率在LED照明系統的整體價值定位中起到了關鍵的作用，因為要想降低維護費用的發生，這些都是必須的。

關鍵詞： 自動控制系統|DCS|FCS 應用電源可靠性

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JAMES ALIBERTI 說：一個 PFC 級即反向恒流降壓穩壓器和一個下行 DC/DC 變壓器電路就可以高于 90% 的效率驅動 LED。

諸如路燈、體育場照明的高頂棚燈等一些高功率 LED 照明應用之所以青睞多串架構是有多方面原因的，其中主要包括：易于設計性、靈活性和安全性因素。主要的工程難題就是效率、長使用壽命以及均勻的光輸出等。長使用壽命和較高的效率在 LED 照明系統的整體價值定位中起到了關鍵的作用，因為要想降低維護費用的發生，這些都是必須的。

多串架構最常見的方法是購置一款具有功率因數校正 (PFC) 功能前端的現成電源，該前端具有一個隔離式恒流 DC 輸出電壓且該輸出電壓饋至每個 LED 串的穩壓器。為了最大化效率，首選的方法是使用降壓轉換器和一個具有最高可能 DC 輸出（該輸出仍位于 II 類或 60VDC SELV 最高電壓電平范圍內）的電源。就此方法而言，我建議使用一個 36V 或 48V DC 輸出，因為這兩個輸出均為電信應用中通常使用的現成普通電源。

多個降壓轉換器方法

多個降壓轉換器方法具有一些優勢，即簡易性和加速產品上市的優勢。但是這種方法可能會很昂貴，尤其隨著 LED 串數量的增加，這種方法就需要更多的降壓轉換器。一個簡單的降壓穩壓器電路通常由一個脈寬調制 (PWM) 控制器、電感、MOSFET、二極管以及一些電阻和電容組成。如果需要更高的效率，那么您就可以用一個 MOSFET 來代替續流二極管并使用一個可以實現同步降壓運行的 PWM 控制器。

一個替代方案是使用基于德州儀器 (TI) SimpLEDrive 技術的多變壓器方法，如圖 2 所示。該方法使用了一個由 PFC 部分、反向恒流降壓穩壓器和下行 DC/DC 變壓器電路組成的三級方法。該方法提供了高于 90% 的效率和可以產生最高質量最均勻亮度輸出的高級串電流穩壓。其還可以通過添加單個串消弧電路（該電路由無源可控硅整流器 (SCR) 組成）為更高可靠性提供冗余。在單個 LED 開路的情況下，消弧電路高效地短路故障串，但仍對剩下的串保持良好的電流調節。這些特性和更低的總體系統成本以及模塊性使得多變壓器方法成為一個曲型的 LED 照明電源解決方案。

在使用多變壓器方法時，要注意該方法為一種電氣隔離設計，其二次側輸出電壓可設計在 UL II 類或 SELV 電平范圍內，即 60VDC 或 42VAC。由于輸出電壓介于該范圍，因此其可以大簡化照明結構設計，從而避免了反復的安全機構的批準流程。該特性增加了相同電源滿足其他照明應用不同結構設計的靈活性。

就運行情況而言，多變壓器方法擁有高于 1% 的更好串電流匹配。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。

三級方法的內部原理

PFC 電路的輸出為一個升壓的 DC 電壓，該電壓設置在輸入線電壓峰值以上 10-20% 左右。PFC 輸出被饋至下一個級，該級是一個配置用來產生恒流輸出的反向降壓穩壓器。反向降壓就是一次側恒流控制環路被關閉的地方。該降壓的電流輸出被下行饋至 DC/DC 變壓器電路，該電路由一個半橋接控制器、兩個 MOSFET、電容 C1 和 C2 以及一些變壓器組成。

之后，該電流經過半橋接 MOSFET 開關，到達串聯變壓器的一次側。電容 C1 和 C2 具有諸多功能，其中包括半橋接分壓器功能、諧振電路組件功能以及 DC 阻斷電容功能，其可避免變壓器飽和。

諧振運行允許 MOSFET 以零電壓轉換 (ZVS) 運行。這就大大降低了開關損耗并提供了以更高頻率運行的選項，以縮小無源組件的尺寸并最大化電源效率。

DC/DC 級將 DC 電流轉換成 AC 電流，并整流流經所有串聯變壓器一次側的交流電流。該方法提供了更大的靈活性，因為其允許將更多的變壓器串聯以支持更多的 LED 串。

要想計算變壓器匝比，我們需要串的總數量以及 LED 串正向電壓的一個很好的近似值。這些假設均基于每個串都具有相同數量的 LED。

設計旨在實現最高效率

在電源設計中，實現最高效率的最佳實踐是盡可能地少處理一些功率。為了實現這一目標，我們需要最小化輸出-輸入電壓比，即輸出電壓應盡可能地接近輸入電壓。由于大多數高功耗照明應用都需要 PFC，因此出于簡單的目的，我們只將其看作是一個功能模塊并向其輸出分配一個典型值，并且知道其會根據諸多因素而發生變化。

大多數有源 PFC 電路均可作為一個升壓轉換器使用，因此 PFC 輸出電壓必須要高于最高 AC 線壓的峰值。就 85-265VAC 的一般輸入范圍電源而言，其約為 375V 的峰值電壓。由于容差和紋波，我們添加了動態范圍上限 (headroom)，因此 400V 是一個典型的設定值。

源自 PFC 部分的 400V 電壓被饋至下行反向降壓轉換器的輸入端。由于反向降壓需要保持穩壓，如果 PFC 輸出與所說的 AC 線路紋波不同（該紋波通常出現在有源 PFC 電源設計中），我們就需要確定 PFC 電壓的最低輸出電壓。如果我們假設 40V 的典型紋波容量（所有的紋波容量都用 LED 負載和大型存儲電容標出），那么 400V 減去 40V 就得出反向降壓的最低輸入電壓為 360V。

反向降壓也需要設計一些有一定規定的工作合規電壓輸出。因此在這種情況下，我們將使用 80V，從而得到 280V 的輸出。

10-LED 串示例

既然我們已經固定了我們的工作邊界，那么就讓我們來看看闡述了如何計算反向降壓的恒流設定值以及如何確定變壓器匝比的一個設計實例吧。

在該示例中，我們使用了兩個變壓器以 1A 的電流驅動 4 個LED 串，每個串由 10 個高功率 LED 組成。我們將假設每個 LED 的正向電壓 (Vf) 為 3.5V，即總的串電壓為 35V。

反向降壓穩壓器的 280V 輸出現在就成為 DC/DC 變壓器電路的輸入。就就是說，施加于串聯一次側的電壓為 280V 電容分壓器（由C1 和 C2 組成）電壓的一半，即總串聯一次側變壓器裝置兩端的電壓為 140V。每個變壓器的一次側電壓 (Vp) 為橋接電壓 (140V) 除以變壓器的數量 (2)，即 Vp=70V。

現在計算變壓器匝比就變得簡單了，如方程式 1 所示：

計算設定值

要想計算反向降壓的電流輸出設定值，只要看一下整個 LED 串的總輸出功率并返回到電流控制環路關閉的反向降壓級就可以了。以 1A 電流驅動 4 個 10-LED 的串，相當于 140W 的總輸出功率。如果將反向降壓穩壓器的輸出電壓設置為 280V，則電流輸出應為大約 500mA。由于降壓穩壓器下行將會發生更多的損耗，因此需要對反向降壓穩壓器進行微調。

方程式 2 計算了降壓穩壓器的電流設定值 (Iset)。