大功率LED照明驱动解决方案

大功率LED照明驱动解决方案

        无论是在工厂、提炼厂、零售商店还是在医院中，工业照明在颜色、接通时间、调光能力、坚固性、易于设计以及当然还有效率方面都需要一些具体的标准。不过，既然采用LED的新照明设计一般都比白炽灯设计昂贵，那么从长远来看，就必须靠更高效率的发光来节省能源成本。与等效白炽灯相比，LED照明提供约高10倍的效率，而与荧光灯或高压钠灯相比，则高2倍到3 ，因此LED照明可促进长期能源节省。诸如24小时不间断运行的工厂等应用，一般仅在几年内就可以收回LED的成本，而其他照明设计可能需要长达5年的时间。

        LED不用白炽灯、荧光灯和高压钠灯首选的高压AC电源，而是采用电压低得多的DC电压源，其典型范围视应用和LED配置的不同而有所改变，从8V至72V。不过，大多数新的设计都将在12V至24V的DC输入范围内工作，而有些改良设计会使用12V交流输入。

       为确保最佳性能和长的工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须靠不精确稳定的电源轨工作，而且还必须具有成本效益和空间效益。为保持长工作寿命，首先要确保不超过LED的电流和温度限制。不管输入电压如何变化，LED驱动器都能为LED串提供恒定电流，以保持恒定的光输出和颜色，因此通常采用恒定频率、电流模式LED驱动器拓扑。与电压模式控制相比，电流模式控制改善了环路动态特性，并提供逐周期电流限制，从而向LED提供恒定电流。最后，LED驱动器必须提供超过90%的效率，以最大限度减小对外部散热措施的需求，并保持照明系统的高效率。

图1：采用单个LED驱动器LT375650驱动50W LED串的电路。

         图1显示了采用单个LED驱动器IC驱动50W LED串的电路。驱动IC是凌力尔特公司的工作在升压模式的LT3756。LT3756是一个100V、高压侧电流检测DC/DC转换器，6V至100V的输入电压范围使其非常适用于多种应用，包括工业和建筑照明。LT3756使用一个外部N沟道MOSFET，可以通过标称12V的输入驱动多达14个1A的白光LED，提供超过50W的功率。它可以用一个24V输入为多达20个LED供电，提供总共75W的LED功率。

       LT3756包含了高压侧电流检测，从而使该器件能用在升压、降压、降压/升压或SEPIC和反激式拓扑中。在这个例子中，LT3756用于升压模式，可以提供超过94%的效率，无需散热措施。频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz范围内对频率编程，从而优化效率，并最大限度减小外部组件尺寸和成本。采用3x3mm QFN封装的LT3756可提供一个非常紧凑的50W至75WLED驱动器解决方案。

       此外，LT3756采用真正彩色PWM(True Color PWM)调光，这种调光方法以宽达3,000:1的调光范围提供恒定LED颜色。对不苛刻的调光需求而言，CTRL引脚可用来提供10:1的模拟调光范围。该器件的固定频率、电流模式架构在宽电源电压和输出电压范围内提供稳定工作。一个以地为基准电压的FB引脚用作几种LED保护功能的输入，从而使该转换器可以作为恒定电压源工作。

       图1的设计可以在多种不同的配置中使用。LED可以在50W聚光灯配置中以单阵列排列，以取代125W的荧光灯或高压钠灯，这几种灯的光输出都相当于500W卤素灯，而产生的热量却比卤素灯少。除了节省能源，由LT3756驱动的LED还提供即时接通功能、纯净得多的光颜色，并能快速和准确地对LED调光。此外，该设计还可将多达14个4W的LED配置为活动式投射灯，每个灯都能以同样或更好的光颜色，提供相当于一个40W卤素灯的光输出，同时降低非常热的卤素灯固有的火灾风险。类似地，LED还可以取代几个荧光灯。

      为突出LED工业照明的好处(与历史上效率最高的高压钠灯照明相比)，可以考虑一个提炼厂的例子，如图3所示。在这个例子中，超过1,000个250W的高压钠灯照明系统被同样数量的100W白光高亮度LED照明系统取代，这些LED都是由LT3756驱动的。因为这些灯是每日24小时不间断地开着，所以第一个主要的好处是能源需求降低了60%。就整个提炼厂而言，这可每年节省16.4万美元成本(按每度电0.10美元计算)。这种节省还可能极大地提高，因为LED照明系统不需要任何升温期，可以“即时接通”工作，从而在极短的时间内达到最大光强。通过在不需要时给这些灯断电，或者使用运动控制传感器以避免让这些灯24小时不间断工作，这个工厂还能节省多得多的能源。

       另一个主要的好处是光输出的质量。正如可以在图3中看到的那样，工厂左手边的部分是用LED照明的，LED提供全光谱纯白光，与高压钠灯(右手边)相比，在这种光线中更容易看清楚，而高压钠灯发出的光几乎全部在色谱的橙黄色区域，从而非常难以区分颜色。在提炼厂中，这尤其令人难受，因为要用肉眼区分水蒸气和火焰引起的烟雾是非常惨痛的事。要能够准确地辨认色标导线和彩色饰板也是很重要(甚至在光线暗淡的情况下)。

       最后，白光LED具有10万小时的工作寿命，每天24小时不间断工作，将持续使用超过11年，相比之下，高压钠灯每一两年就需要更换。与目前的高压钠灯照明相比，这进一步降低了高亮度LED的长期总体成本。

       本文小结

       白光LED照明应用在工业/住宅通用照明领域前所未有地加速已经导致对大电流LED驱动器IC的很多具体性能要求。从面向提炼厂、发电厂等有害工业应用的大功率外部照明到内部活动式投射照明，工业应用有很多种。节能以及由此引起的二氧化碳排放量减少，正在加速高亮度白光LED在大量商业和工业环境中的采用。所有这些应用都需要高性能LED驱动器IC，以最大限度地提高效率和可靠性，同时最大限度地降低用户向LED照明转变的成本。这些LED驱动器还必须提供恒定电流以保持一致的亮度(而不管输入电压或LED正向电压如何变化)，必须以高效率工作，并提供宽调光比。这些应用还要求占板面积非常紧凑和高热效率解决方案。幸运的是，LED驱动器的设计师已经预料到了这些需求，并已经设计出满足所有这些需求的IC。