需要大量LED的路灯照明方案第Ⅱ部分:背光照明快速成长将主导路灯照明技术
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摘要:与第1部分中详细介绍的多个降压稳压器解决方案相比,利用可变输出电压为一系列线性稳压器供电的单个大型开关稳压器具有多个优点,其在移动电话、笔记本电脑及GPS设备中,所需的物理空间与成本都较低例如LM 3464可以控制多达四个作为电源线性稳压器的外部电源N-MOSFET。
本系列的第1部分阐释了电子工程师在使用s0～200个1W LED进行路灯设计时所面临的主要挑战。这些挑战包括:将总输出电压控制在某个安全限定范围内,使串并联LED阵列中各串之间的电流相同、保证LED发生故障时的可靠性以及控制EMI(会随着总功率的增加而变得难以控制)。
其中还介绍了将降压稳压器用作每串LED恒流源的标准概念及其优缺点。第1部分的结论是:只要提高功率,背光照明的常用系统架构便可应用于路灯照明。例如。图1所示的六通道背光照明控制器LM3432,能以高达80V的输出电压驱动每个通道高达40mA的电流。基于每个LED的最大前向电压vF,LM3432可为每个通道的20～25个LED(总计120～150个LED)供电。该值是笔记本电脑的LCD显示屏背光应用中所需的典型的数量值,而该领域是该产品的主打市场之一。
动态余量控制
LM3432的每个通道均为配置成恒流下沉的线性稳压器。线性稳压器对于提高功率效率没有明显效果,所以为了有效地给LED供电,LM3432搭配了开关稳压器(图1中的SNIPS),用于为LED提供电源电压,更重要的是接收来自LM3432的指令以动态调整Vo,使跨越每个线性稳压器的电压永远最低。Vo的调整基础是参照各串中电压最高的通道。即使是已针对前向电压进行分级的LED也会表现出一些差异,而且由于热量原因,目前未针对vp中的压降进行分级。具有最高LED串总电压的通道,是最接近线性稳压器电流下沉的压差电压值的通道。此通道会将来自主电源的电压控制在刚好不受压降影响的范围内。作为“主通道”的通道可以并确实地会动态更改,因此称为动态电压调整功能(DHC)。DHC可将整个系统的功率效率提高至90%以上,使其成为直接驱动LED的开关稳压器的强大竞争对手。
超越多个降压稳压器的优点
与第1部分中详细介绍的多个降压稳压器解决方案相比,利用可变输出电压为一系列线性稳压器供电的单个大型开关稳压器具有多个优点,其在移动电话、笔记本电脑及GPS设备中,所需的物理空间与成本都较低。将其应用到以350mA电流驱动50～200个1W LED的路灯照明系统中,在EMI(电磁干扰)与拍频方面的优势将尤为显著。虽然为LM3432等背光照明芯片供电的升压稳压器使用的是经过严格滤波的直流输入,但路灯照明与HPWA应用是通过交流电源来驱动。这使主要电源受许多法律要求的制约。虽然安全与功率因数校正都非常重要,但在电子产品上市时必须遵循的所有法规中,要求最严格的通常是管制EMI的相关法规。图2示意了对于共有4串、每串各有14个LED的系统(总电压控制在60VDC以下),多个降压稳压器方案将需要5个开关稳压器。依据总输出功率,AC-DC部分可能会如同经过功率因数校正的单级反激稳压器一样简单。为了提高效率,此类稳压器的开关频率很少超过200 kHz。但每个降压稳压器很可能会以500 kHz等较高频率工作,以减小输出电感器的大小。这样,系统中便已经存在具有不同滤波需求的两种开关频率。如第1部分所述,若未在每个降压LED驱动器之间进行频率同步,则可能会存在拍频EMI,因为每个降压稳压器会工作在稍微不同的频率下。
LM3464是一种新型LED驱动器控制器,它将背光照明的多通道、DHC技术与更高的输出电流相结合。每个LM3464可以控制多达四个作为电源线性稳压器的外部电源N-MOSFET,其中,每个通道的最大平均电流建议可达500mA。图3示意了LM3464如何像LM3432控制DC-DC升压稳压器一样,控制隔离的AC-DC离线式主电源。即使每个通道的驱动电流为350mA,LM3464的功率效率也能超过95%,轻松实现与四个经过周密设计的降压LED驱动器所发挥的相同效果。图2与图3之间的一个重要差异是LM3464不会产生任何新的开关频率,唯一的开关噪声来自AC-DC部分。
整体系统效率在很大程度上还取决于AC-DC稳压器。PFC反激稳压器虽然很经济,但效率极少超过85%。当功率等级超过50～75W时,更常见的方法是升压PFC前级稳压器后接正向转换器。由于热量是影响LED性能与使用寿命的主要问题,而且产生的热量与功率效率成反比,所以PFC升压稳压器后接共振转换器即使在100～200w范围内同样适用。
精确度、故障报告及热量折环
当具有单一参考电压的一个Ic控制所有LED时,就会更容易使备串之间的电流相符。假设感测电阻器的公差为1%,LM3464将保证各串LED相互之间的电流差在±3%以内。如图4中所示,检测到LED因开路或短路而发生故障,并且可配置为仅关闭受影响的通道或关闭整个系统。作为进一步的替代方案,您可以对LM3464进行编程,以“间断”方式继续循环,直到清除故障为止。LED路灯通常包含可对故障信号进行解释与响应的系统微控制器。高级系统甚至可以使用电源线或无线通信报告问题。
LM3464男一个主要的安全与可靠是热量返还。通过使用位于LED阵列中间的NTC热敏电阻或温度传感器,一旦温度超过可编程的阈值,即可通过PWM光暗调节逐渐减少每个通道的平均输出电流。热量是LED系统的头号“敌人”。小鸟在散热器上筑巢这个有趣但严肃的真实示例,说明了热量返还是很有必要的。即使一群海鸥以路灯为巢,设计师也要保证至少LED能输出部分光线以符合道路安全法的规定。因此,LM3464还允许设计师选择或在给定温度下完全关闭系统的热量返回环路,或在驱动电流最低时可出现第二个断点的环路。
链与奇数串
并非所有系统都有四个通道,因此LM3464能以图6中所示的链方式工作。DHC控制环路将会比较每个LM3464中每个通道的汲极电压。同样。如果系统需要三、六或无法被四除尽的其它通道组合,则可禁用任一LM3464中的通道,最多可禁用三个通道。
结论
对于希望每串LED都有专用电流源,但在为每串LED配置降压稳压器时遇到问题的系统设计师而言,将主电源和多通道线性稳压器与动态余量控制功能搭配使用,将是理想的选择。LM3464可在保持高功率效率、高可靠性以及高控制能力的同时,提供更小、更便宜且更简单的方案选项。