LED街灯的智能电源设计

随着能源成本持续上升，采用更高效、更低成本的光源得到了极大的关注。一个主要的应用是使用金属卤化物高强度气体放电(HID)、荧光和高亮度白光LED的大面积照明。智能高亮度LED有望替代街灯照明中通常采用的白炽和汞蒸气光源。除了维护的需求外，后者的效率较低、含汞，并需要一段较长的预热和重启时间。

与其它光源相比，高亮度的LED具有不同的特性和需求，因此对于驱动电路提出了新的挑战。这类器件具有较低的正向电压(3~4V)，并要求恒流驱动用于优化运作。此外，它们是典型的低功率器件(1~3W)，其驱动电流范围为350mA至700mA。最新的高亮度LED的光通量水平为80lm至110lm，功效为70lm/W至90lm/W。

不过，它们必须以阵列方式使用以获得和其它光源一样的光输出。例如，为获得与100W金属卤化物HID灯一样的光输出，需要一个由30至80个LED组成的阵列，具体数量取决于LED驱动电流和输出光通量。

智能电源结构

当前用于街灯照明的高亮度LED需要一个符合多项要求的灵活的智能电源。该电源必须具有高能效，并满足像欧盟IEC61000-3-2等规范对谐波含量或功率因数校正(PFC)的要求。它还必须能支持较大范围的输入交流电压，调节进入LED串的恒定电流并能进行亮度调节控制。

应该注意的是，通常采用数字脉宽调制(PWM)技术来调节LED街灯的亮度。在美国，通常是不计量街灯耗电量的，其功耗是由当地公共事业公司来管理。该公司主要关注如何从电网中获取最大的效率，因此一般要求功率因数为0.9或更高。

双级结构的功率因数升压级后接的是回扫级(如图1所示)。这可以满足智能LED街灯的上述所有要求。虽然在安森美半导体的NCP1651控制器等器件中采用的是单级PFC/回扫拓扑结构，数字调节LED亮度的要求仍偏向采用双级的方式。



图1：双级设计拓扑能满足对于驱动高亮度LED灯的所有需求。该方案支持多达包含60个LED的LED串。

传统PFC控制回路的带宽通常约为10Hz至20Hz，LED亮度调节频率则高于100Hz以避免可见的闪动。因此，数字调节不能选择单级结构。

除了图1中的模块，还采用了一个小型低功率辅助电源为第二级供电。这一级由电流调节回路、网络控制所需的微控制器和通信接口组成。

对于传统的街灯，根据照明的范围采用不同的灯泡/镇流器组合。这是固定装置的高度的一个函数，固定装置和光输出之间的间距必须为零。在街灯应用中，道路上灯的数量以及灯的式样是由基于预期交通流量而确定的标准来决定的。

一个特定应用所需的LED数量由许多参数因素来决定。这些因素包括功率LED的类型、LED驱动电流、预期工作温度条件、热管理技术以及光学设计。用于这种电源的方案将产生一种能容纳多达60个LED的不同LED串的结构，同时支持采用普通镇流器。

为实现LED的长寿命，重要的一点是让LED的结温保持在80~90℃的合理范围内。这是一个由供应商指定的参数。LED光强会随温度的升高而减小。因此，即使高功率LED的额定电流可超过1A，该设计重点仍是提供250mA至400mA范围的恒定电流。这样可以减少LED的内部发热。

当测量问题包括针对VCM和电流的双极范围的测量，或者0被纳入VCM范围的一部分时，必须进行四象限操作，可用IC解决方案的选择也会受到限制。当VCM的范围增加时，对于指定精确的限制，IC的选择变得更少了。

升压型PFC

大多数LED街灯的功率需求约为60W至150W。因此，可采用临界导电模式PFC拓扑和NCP1606控制器。过去，大部分灯具镇流器都已经针对某一区域优化，但是就灵活性而言，这个设计具有90Vac至265Vac的标准通用输出来支持北美及国际的交流电源(图2)。



图2：该临界导电模式功率因数校正电路可支持驱动高亮度LED街灯的功率要求。NCP1606控制器的升压转换级输出电压由最大交流线路电压决定。

升压级的输出电压为400Vdc，它被设计为可提供100W的功率。由于NCP1606实现了升压转换级，因此输出电压由最大交流线路电压、控制器的特性和准确度允差来决定。

在美国，普遍采用277Vac的电压为街灯和商业照明供电。这一电压来源于三相480Vac电路的一个相位。为修改设计以支持这一要求，在PFC升压级的输出端需要一个更高的直流大电压。这涉及到改变反馈电压以产生480V的输出电压。也可能增加大容量电容和功率MOSFET的最大额定电压。

PFC级之后接一个固定频率的独立反馈级和调节进入LED串的恒流的线性电流调节器(图3)。这个调控器使穿过线性电流调控器MOSFET(Q2)的压降保持恒定。

反馈控制器为安森美半导体的NCP1216，这是一款采用电流模式结构的紧凑型8引脚控制器。该控制器基于一种独有的高压工艺，它允许器件从高压中启动，并包含在正常工作中给器件供电的动态自给电路。

该电路的核心是次级端的控制模块，它为LED串提供恒流调节。不论输出负载电压是多少，电流调节器MOSFET上的压降总保持恒定。并能提供一个调节光输出所必需的快速逻辑级PWM亮度调节输入信号。

通过使用串联旁路线性调节器来控制LED电流(U5A, Q2, R10)，对PWM LED亮度调节控制信号的快速响应可在脉冲频率达到1kHz时实现，此时上升和下降的时间相当快。如果PWM输入信号没有非常低的频率限制，主回扫反馈回路无法高效地实现快速响应。



尽管采用了一种耗电较大的电流调节器，但通过回扫反馈回路来将串行旁路MOSFET上压降调节为1.5V左右(功耗为550mW)可在Q2中实现很低的功耗。此时效率最高，并能够处理由于LED正向压降变化和LED串配置不同而出现的不同输出电压。它还允许将回扫变压器设计成与期望的最大输出电压相适应，但在更低电压下不会引起电流消耗或电路变化的问题。如果输出电压是针对某一特定LED配置而定制并直接调节该电压，就会发生上述情况。

经回扫转换器调节Q2上的压降是通过取样保持电路及由D6、R24,、C12和U5B组成的误差放大器来完成的。这也允许实现电流放大器的快速PWM门控，而不会引起Q2输入电压发生大的电压偏移。

参考放大器U4(TL431)为电流调节器(U5A)和反馈误差放大器(U5B)提供参考电压。初级端的NCP1216电流模式控制器的反馈采用一个传统的光电耦合器(U2)实现。在LED串开放或电源输出无负载的情况下，Z1、Z2、Z3和额外的光电耦合器U3组成了简单的电压钳位反馈电路。

为进一步减小变压器的尺寸，开关频率选为130kHz。NCP1216控制器还具有频率抖动功能以减少EMI信号。

在该电路中采用一个800V的功率MOSFET来调节来自次级端的反馈电压。值得注意的是，根据所用LED串的最大正向电压，可以使用更高或更低电压的MOSFET。

回扫变压器T1是为不连续导电模式工作而设计的，其最大输出电压为250V。其核心是一个标准的E21型磁芯。不过，根据所要求的最大输出电压，可以使用其它类型的磁芯(如ETD、PQ或EC型)。



在单个层上保留初级和次级损伤对于尽可能减小漏电感的影响是非常重要的。如果想采用更小的磁芯，那么多层线圏可能会对于电路寄生效应及随后的电压尖峰和振铃造成不良影响。

图4和图5是采用了PWM信号的电流开关波形图。上方的曲线表示通过与LED串并联的感应电阻的电流。下方的曲线表示PWM输入信号波形。图4中的波形图表示的是一种50%亮度可调节的标准情况，而图5中的波形图表示的是一种极端情况。这两个图说明了上升和下降时间是对称的，这使得线性亮度调节控制变得更加容易。



网络控制亮度调节

以上例子给出了一个由交流主电源驱动数串LED的电路结构，同时提供了卓越的功率因数性能、亮度调节和故障保护功能。总而言之，用350mA驱动由60个LED组成的LED串的效率约为85%。

通过网络控制亮度调节的一个有趣的地方是微控制器功能可以被嵌入到光源中。这可以改进诸如主动温度监测等智能功能，从而根据LED阵列的温度补偿光输出，该温度可以随季节的不同发生显著变化。此外，当发生故障时能够对安全监控进行验证。

高亮度LED技术、高效电源设计和智能控制的结合为减少能消和降低寿命周期成本提供了良好的机会。此外，由于LED的功效和光强正在不断改进，本文中的设计印证了这一事实：对于给定光输出所需的LED数量将会随着LED技术的提升而继续下降。