一种集中LED路灯电源的设计和实现

 

　　LED路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯360度发光，光损失大的缺点造成了能源的巨大浪费。当前，的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是目前所急需解决的问题。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，LED路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的选择。

　　立锜科技近年来发表了一系列LED照明的驱动IC.也一直关注LED路灯的发展，本文主要是针对几种不同LED路灯的应用，提出适合的架构，并做优缺点的分析。让读者能依自己公司状况以及所设计路灯应用范围的不同，找出合适的方案。同样的架构，也可用于其他大功率灯具的设计中。

　　1、直接AC输入，对6串LED分别做定电流控制

　　交流电alternating current ,简称为AC.它的基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹，日本等国家为60赫兹。交流电随时间变化可以以多种多样的形式表现出来。不同表现形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。电流随时间的变化规律，由此看出：正弦交流电需用频率、峰值和相位三个物理量来描述。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率（或能量）的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点，因此产生了一系列区别于直流电路的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻，而且有电容元件和电感元件，使用的元件多了，现象和规律就复杂了。

　　在以下的几种方案之中，这一种应该是目前效率，电路成本的方式。直接藉由Photo-coupler对侧做回溯控制，调整输出电压。相较于其他传统方案，少的switchinglose。将CSpin的电压固定在0。25V，对6串LED分别做定电流控制。IC会侦测各串FB的位置，将电压那串，也就是Vf总和的那串，固定在0。5V。此时由于各串LEDVf值总和的不同，Vf差异所引起多余的电压会落在MOS上面，造成些许损耗。如果是一般对Vf分BIN过后的LED，损耗应该可以控制在2%以内。少于一般的switchinglose。若使用LLC架构的侧，有机会让整体电源效率接近90%。基于现阶段各LED厂并不倾向提供高功率LEDVf分Bin的服务。所以必需由用户自行调整各串LEDVf的总和，造成大量生产时的困扰。目前此方式较适合对效率有极端追求的方案，特别是一些由省电的多寡来定价的项目。

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　　优点：效率高，成本低，

　　缺点：AC输入，侧的设计较为复杂，电源效率跟各串Vf的差异有关。

　　适用于追求高效率的路灯

　　2、DC或电池输入，对6串LED分别做定电流控制

　　直流电（Direct Current,简称DC），是指方向和时间不作周期性变化的电流，但电流大小可能不固定，而产生波形。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。

　　多串的升压结构设计，LED驱动的方式与前一种类似，差别在于由原来的AC输入，改为经由adaptor或是电池输入。Low-sidesense的设计，只要选择耐压够的MOS，LED可以串到相当多的数目。相较于前面AC输入的方案，设计较为简单。但由于多了升压的switching，效率相对较低升压结构的设计，在适当的范围内，效率对输出电压或是LED数目的变化较降压为小，所以此架构的LED配置较为灵活。LED数目的变化不易导致输出电流或效率的改变。适合需任意配置LED数目的应用。

　　优点：设计简单，电路成本低；

　　缺点：效率较低，且跟Vf相关；

　　适合需灵活配置LED数目的多串LED设计。

　　3、单串降压结构

　　这应该是目前普遍的方式，设计简单，效率也高。有些厂商，仍喜欢用单串的设计，优点是将来维修容易。而且可以做模块化设计。不同功率的路灯可以使用相同的灯条，只要更换路灯面板，插上不同数目的灯条，就可以组合出各种不同功率的路灯。缺点是每一串都需要独立的电源模块，成本较高。而降压的结构，会让LED的数目，受限于输入电压。

　　例如60V的adaptor,LED多串到15,16颗，如果要设计20W的灯条，就需要使用较大电流的LED.此种结构，为了使效率达到，要让输入电压尽可能接近输出电压。也就是说，必需针对LED的数目来调整输入电压，或是adaptor的输出电压。以10棵LED为例，如果要达到效率，就必须把输入电压调到约40V左右。而让降压的效率达到96%以上。而如果调整LED数目不相对调整输入电压，会对效率造成明显的影响。

　　参考下图，可发现，降压的效率对输出入电压的变化较为明显，在87%区域有个稳定期。升压虽然值比不上降压，但整体效率相对稳定，在93%区域有个稳定期。

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　　优点：降压结构效率较高，单串设计，配置较为灵活；

　　缺点：电路成本较高，LED串联数目，受限于输入电压，要达到效率需适当的调整输入电压
适合大多数有固定输出输入的路灯。

　　4、单串升压结构

　　同样的单串设计，升压结构的效率会较降压结构稍低，但是LED串联的数目，不再受限于输入电压，而是由MOS来决定。所以可以串联较多的LED。由于大多数的太阳能电池，输出电压都不高，因此太阳能路灯，较适合使用升压结构。而选用电流模式的定电流IC，可以让输出电流较不受输入电压变化的影响，在电池满载以及快没电时，都能让路灯维持相同的亮度。

　　采用此种方式的设计，一样的单串结构，但对LED数目的配置却更为灵活。不需要改动任何零件，不只能串更多颗LED。LED数目的变化对效率以及电流大小的变动也较小。应该是本文介绍所有方式里，对LED的配置，，为灵活的一种。

　　优点：串联LED数目不受输入电压限制；

　　缺点：电路成本较高，效率较降压结构稍低。

　　适合太阳能路灯，及需要灵活配置LED串联数目的设计。

　　根据上面的分析，列出统计表如下，1为，4为差。可以看出4种架构，在不同的地方，各有其优缺点，应该能满足大多数路灯或高功率灯具的设计需求。种方式，虽然有机会达到的效率。但受限于目前高功率LED不分BIN的影响，较难普及，但随着LED生产制程的改善，Vf的分布会日渐集中。而当高功率LED的产量，达到分BIN的经济规模时，这种架构应该是适合的。

　　而现在也陆续有厂商，开始推出多串但各自switching的升压或降压IC.他的优点是效率被Vf差异所产生的影响较小。但各串会有各自的switchinglose.而系统成本介于文中（1,2）以及（3,4）的方式之间。市场的接受度，尚有待观察。