浅谈大功率长寿命LED照明系统解决方案

　　随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。LED拥有更高的效率与更长的使用寿命。

　　下文将讨论LED驱动器满足这些要求的工作原理，并对AC/DC降压转换器如何高效地驱动30只同串的高亮度LED进行说明。

　　此外，本文还将给出另外一种实现方法的结构示意图，即采用隔离式AC/DC电源及一款具有动态余量控制的LM3464。通过避免电磁干扰，该方案具有极高效率。

　　简介

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

　　LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小它的亮度越高，没有什么超亮不超亮的，那是骗小孩的，如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的，只是生产工艺不一样，使用寿命略有不同，因为大家用的都是那几家国外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了，亮度相差好几十倍了，如果是用于照明用的，在户外是用大功率的LED了，亮度就更高了，单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。

　　图一给出了结构框图，该方案无需电流隔离并提高了工作效率。总系统效率更多地取决于AC/DC隔离变压器。反激式PFC虽然经济，但效率很难超过85%。在个方案中，在散热装置和LED之间使用绝缘胶层或陶瓷层进行隔离，由于变压器无须隔离，其效率变得更高。

　　图1，结构图

　　该电源的主要目的是将整流AC输入转换为DC稳压电流，以下是一个优化示例，示意在350mA电流下如何驱动功率达到35W的30个高亮度白光LED。该电源为LED提供了保护，限定了瞬态输入电压，并在热插拔时避免了电流浪涌。总的电源一致性（电源母线谐波（EN），电源母线干扰，国际安全标准等）全部符合欧洲标准（EN）。

　　下面是一个使用镇流器对35W的T8管进行替换的示例，见图2。在LED串开路、短路或过载的情况下，可以保护镇流器以免发生故障。它确保了任何元件都不会在故障下过热或烧毁，以确保设计的稳定性。

　　图2，使用镇流器时35W的T8灯管进行替换。

　　镇流器与T8的主要特点如下：

　　适用于欧洲输入电压范围，但可以进一步扩展到从85VAC?265VAC的更宽范围。

　　PF为0.98

　　输出电流为350mA

　　输出电压为100V±20%（取决于LED VF）

　　母线谐波符合EN61000 - 3 - 2 C类标准要求

　　电磁干扰（导电性）符合EN55022 标准要求

　　电磁干扰（辐射）符合现行EN55022 标准要求

　　效率为87%

　　符合现行安全标准要求

　　被动冷却方式

　　温度范围-20 ° C?+65 ° C

　　使用聚合物电容器延长寿命

　　使用共享电流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的欧司朗T8管。

　　级PFC

　　大多数基本的AC/DC电源在输入线路中都会产生谐波失真且功率因数较差，因此很难满足欧洲标准EN - 61000 - 3 – 2的要求。该解决方案使用PFC电路，使输入电流波形与输入电压波形同样为正弦波波形。

　　对于镇流器产品，则符合欧洲EN - 61000 - 3 - 2C类标准。该标准适用于所有的照明产品，包括有源输入功率大于25W的调光设备。

　　由于LED驱动器具有更高输入纹波，在380 VDC环境中将用较小电容。由于故障率较高，为保持长久的使用寿命，不允许使用电解电容器。

　　这种镇流器使用EPCOS薄膜电容器来替代电解电容，根据内部指标对所有组件的额降值加以限定，这限度地减小了故障率，延长了整个系统的使用寿命。

　　第二级是LED驱动器 ， 选用了LM3445恒流控制器。

　　LM3445是一个具有自适应恒定关断时间的AC/DC降压恒流控制器，兼容三端双向可控硅开关（TRIAC）调光与脉冲宽度调制（PWM）信号。LM3445为大功率LED照明提供了恒定的电流值，调光解码器允许更宽范围的LED调光。

　　图3 详细地示意了LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。

　　该周期可划分为几个不同阶段，曲线如下：

　　1.闭合阶段

　　2.导通阶段

　　3.断开阶段

　　4.断开阶段，能量转移至负载

　　图3，LED驱动器在一个完整交流电周期内Q3的漏源电压和电流情况。

　　该LED驱动器采用恒定关断时间控制，通过一串LED调节电流。当MOSFET导通时，通过电感器的LED电流增加，直到达到由参考电压和电流检测电阻限定的峰值为止。达到该峰值电流后，MOSFET关断，同时二极管在Toff期间导通。

　　为驱动更多的LED，进行了一些改进，包括成功串接了60只LED。在输出功率为70W时，其总效率可达92%，通过并联其他LM3445可以驱动多串LED（每串30只），但将需要更多电缆，以连接LED 。

　　图4，采用多串LED的解决方案。

　　另一种方法如图 4 所示 。其中主电源一侧的输出电压低于60V，这符合UL1310标准Class 2对电压的限制要求。当隔离系统中要求限定次级电压时，的选择是多串LED。

　　在次级，LM3464是一款多通道LED驱动控制器。作为线性稳压器，每个LM3464多可控制四个外部功率N-MOSFET，因此，能够控制多串LED，而每串可串联多达15个LED。

　　每通道的平均电流值可达500mA，图 4 示意了LM3464如何控制绝缘AC/DC 初级离线电源，通过LM3464发出的指令可以对Vo动态调整从而使通过每个线性稳压器的电压值保持。图1和图4的一个重要区别在于LM3464无需新的开关频率，这对于控制EMI而言极为重要，因为随着总功率的增加EMI会越来越难以控制，而 的开关噪声来自于AC/DC部分。

　　结论

　　本文讨论了驱动更多数量LED的不同方法。个解决方案使用PFC作为标准的升压装置以驱动一个有隔离散热装置的LED串（30只） ，这对于需要多串多数量LED的设计工程师来讲是一个极具吸引力的选择。示例着重于LED的更换，LED灯管的详细信息可以根据需求提供。如果设计正确，除了高能效以外，LED灯管和镇流器都有很长的使用寿命。对于传统的照明装置来讲，维护费用一直是一笔很大的开销，而使用LED灯管能将维护费用降至。

　　第二个解决方案使用一个电源和动态余量控制的多通道线性稳压器。工程师想给每串LED串配备一个专属电源，但是在每个LED串中使用降压调节器会出现问题。对于他们来讲，这个解决方案确实极具吸引力。该LM3464提供了一个体积更小，价格更便宜，使用更简单的选择，同时保持高功率效率、高可靠性和的电磁兼容性能（EMC）。

　　此外，中国的LED照明还存在一系列其它问题，例如中国目前还没有LED灯具国家标准，只有一些地方的标准；我国本土LED灯具造型创新设计能力明显不足等。要解决好这些问题，才能使LED产业发展更加健康，LED产品才能更适应大众的需要。市场主导是LED照明产业可以长期健康发展的基础，政府要在政策、法规、研发投入、应用示范和标准等多方面来引导和扶持，全国一盘棋，整体规划，才能引导LED产业持续健康发展。