150W多串LED驱动器的设计方案

导读：本文将介绍使用升压转换器和线性电流稳压器的4串LED线路、150瓦的LED驱动器。

　　多串LED线路广泛应用于路灯、洗灯和其他一般照明产品。线性电流稳压器是一个直流电源输入装置，可以是一个交流/直流的转换器，或是一个直流/直流的转换器。如果电源是直流电，电压远低于LED线路的顺向电压，我们就会使用到升压转换器。

　　表1所示为其设计的规格。

　　电路概述

　　图1所示为一个150瓦LED驱动器的方块图。由图可看出其为升压转换器使用一个LM3430的控制器，控制器电源来自18~24V的直流系统轨电压（VRAIL），用以供应LED线路。LED电流受到一个4通道线性电流稳压器LM3464调节。动态余量控制（Dynamic Headroom Control, DHC）方法会被执行以求达到的效率。这主要是包含到从LM3464到LM3430的讯号回授，为了让电力损失化，LM3430就会适度地调整系统轨电压到值。在LED电源开启时，LED的顺向电压因温度升高而慢慢降低（以分钟计）并减少运行中的轨电压，这样就能够有效降低电流稳压器的电力损失，也因此提升整体效能。

　　线性多串LED驱动器

　　图2所示为由LM3464执行的四通道线性电流稳压器图解，每个LED线路都是由系统轨电压供电动，也连接着它相应的线性电流稳压器（1~4通道）。这是由金氧半场效晶体管（Q1~Q4）和一个感测电阻器（RSNS1到RSNS4）所组成。金氧半场效晶体管由LM3464控制，使得感测电阻器上的跨压因而下降，被调节到0.2V,从而调节LED电流。

　　LM3464电路主要设计的元件是回授电阻器电路RFB1、RFB2和RDHC,这和VRAIL（nom）的电压准位VDHC_READY、VLED和VRAIL（peak）有关，如图3的启动波形所示。在启动时，LM3430在LM3464之前启动，以执行升压转换器，同时将 VRAIL调节至VRAIL（nom）。在这段期间没有动态余量控制因为LM3464还没启动。其次当CDHC 的电压（一个电容器从LM3464的CDHC引线连接到地面）到达5.55V时，LM3464将VRAIL提高到VDHC_READY,这是一个高到足以开启LED线路的电压。

　　之后，动态余量控制就会启动，将VRAIL调节至VLED,能以电压开启所有LED线路以获得的效率。因此，VRAIL（nom）和VDHC_READY的设计值是参考VLED,足以支援VLED的差异。在本文中，VLED是39V,VRAIL（nom）和VDHC_READY分别被设计成30V和42V.，当LM3464的OutP引线连接地面发生短路时，VRAIL（peak）会产生值的VRAIL.VRAIL（peak）也可能是的VRAIL,让升压转换器能够输出。因此，升压转换器必需能够输出VRAIL（peak），而不超过输出额定电压。在本文中，VRAIL（peak）是设定在45V,所以额定电压是50V的输出电容器都可以使用。

　　主要元件的设计

　　下列步骤是主要元件的选择细节，包括RFB1、RFB2、RF1、RF2、 RDHC,也涉及VRAIL（nom） 、VDHC_READY、VLED、VRAIL（peak）。

　　RFB1和RFB2:藉由LM3430透过VDHC接脚流入电流，LM3464提高了VRAIL,直到VLedFB接脚的电压到达2.5V时，VRAIL会达到42V的VDHC_READY.回授电阻器RFB1和RFB2分别被设计成57.6k?和3.65k.

　　RF1和RF2:当VRAIL（nom）是30V时，从LM3430上FB接脚的电压会被调节至1.25V,而回授电阻器RF1和RF2分别被设计成1.91k?和44.2k.

　　RDHC:RDHC的值可以根据VRAIL（peak）来定义，在本文中，VRAIL（peak） 是45伏，RDHC是1.7kΩ。

　　电流侦测电阻器： 流过感测电阻器的电流，电阻器的跨压时被调节成0.2V.在本文中，LED的电流是1A,所以感测电阻器被设计成0.2Ω（=0.2V/1A）。

　　升压转换器

　　图4所示为LM3430所执行的升压转换器图解，以下是选择主要元件细节的说明。

　　电感器选择：对于一个24V典型的输入电压来说，藉由动态余量控制的方法能将VRAIL调节至VLED为39伏，经计算后的输入电流和负载比率是6.5A和38.5%.常见的选择有电感器电流波ILripple,是一般电感器电流的30%,就是1.95A.300kHz的开关频率，即时ton是1.28μs.因此可以得出计算的电感值为15.7μH,标准值15μH会被选定。另一方面，当输入的电压时（18V），输入的电流是，也就是8.67A.考虑到效率问题时，实际输入的电流可能比计算值大很多。我们应该选择有高饱和电流和低等效串联电阻。

　　金氧半场效晶体管和二极管：金氧半场效晶体管和二极管的额定值视其开启电流而定，这和输入电流值有关。在150瓦输出电源的情况下，电源功耗很大，所以需要一个好的散热器。

　　输出电容器和滤波器：输出电容器控制着升压转换器的输出电压涟波。这也和调光期间输出电压的暂态回应有关，应选择具负载变化的升压转换器。这边选用了470μF的电容器。为了进一步减少轨道电压的涟波，我们也选用一个2.2μF的陶瓷电容器和一个LC滤波器。当VRAIL（peak） 为45V时，输出电容器的额定电压大于50V.我们会应用LC滤波器以进一步减少VRAIL的电压涟波。

　　补偿设计：由R1、C1组成的一个主导极点，和一个内部运算放大器被设计成闭回路循环。闭回路的直流电增益为40dB,这是高到足以让VRAIL获得一个小稳态误差的状况。此外，稳态误差同时可经由动态余量控制达到化。截止频率被设计成5kHz.这是在LED调光期间，在暂态负载的情况下所获得很好的暂态回应。

　　测量结果

　　图5、6所示为升压转换器开关节点的波形，和当输入电压是18V与24V时LED的总电流。我们也能看到开关节点中稳定波形和良好调节的LED电流。图7所示为24V输入电压在调光期间的表现。在升压转换器的输出电压中，我们能得到良好的暂态回应（正负尖峰期值小），而且LED电流在调光讯号的应用下可以快速反应。表2为此有效率的方法的总结。在152瓦输出电源情况下，整体的效率达到90%左右。

　　结束语

　　一般解决驱动多串LED线路的方法是使用多通道线性电流稳压器。使用线性电路的方法后，稳压器就没有产生电磁干扰的问题了。和使用个别LED驱动器驱动每个LED线路的方法比较起来，多通道解决方案可以提供较好的串对串电流准确度，也比较容易检测与发现LED线路的故障。