高性能LED 路灯驱动电路的设计方案
2009-05-07 15:09:04
来源：《半导体器件应用》2009年5月刊
1 概述
由于LED照明优点诸多，使其应用也更加广泛。比如LED路灯的应用可使其拥有长达10万小时的使用寿命，同时具备省电、环保无汞、体积小、响应速度快、耐震、宽温等突出特点，这些都必将成为未来的路灯照明的趋势。但是，由于路灯的特殊设计，也对LED灯的驱动电路提出更高的要求。
2 设计要求
我们知道LED灯的亮度与电流的大小有关。不稳定的电流不仅使其亮度产生变化，也会影响LED的寿命。同时，为达到路灯的亮度要求，通常采用LED组来搭建满足要求的路灯。如：采用1W的LED灯，需要用一百颗以上的LED灯组成一个标准的路灯。通常采用串并联的组合来完成设计。另一方面，因为我国路灯的输入是220伏交流电，因此通常的做法也是采用AC/DC的模块，将220AC转换成12/24/36/48V的直流电压，然后通过LED驱动电路来点亮LED灯，如图1所示。
对于驱动电路的设计及LED串的配置来说，母线电压的选择至关重要。电压选择低（如12伏），固然对驱动电路芯片的选择会更多，但串接的LED个数也会少，这对同样LED数量的路灯设计来说，则势必会增加LED驱动模块，因此很不经济。另一方面，驱动电路的效率也至关重要，效率越高意味着驱动模块功耗越低，这不仅是为了省电，同时也可也以减少驱动模块产生的热量。第三点就是这种配置可以方便的通过增加或减少驱动模块的数量来调整LED灯的数量，满足不同的设计要求。本文就针对如下要求给出相应的LED驱动模块的设计方案。
①48V输入电压；
②97%以上的工作效率；
③14颗串行LED灯。
3 设计原理及分析计算
现在各厂家均有很多LED驱动的方案可供选择。但对于输入大于48V的宽范围的驱动方案来说，就显得寥寥无几了。美国国家半导体公司提供了很好的宽输入电压范围驱动LED方案的产品可供选择。
3.1 驱动芯片的选择
实际上在美国国家半导体公司的公司网站上就有LED的在线设计工具（http://www.national.com/appinfo/webench/led/pled.html），通过它可以很容易的找出合适的产品，并进行仿真设计。通过选择350mA的LED灯，输入电压范围选48V到60V，14颗串行LED灯，可以很方便的得到LM3402HV芯片的推荐。实际上LM3402HV是一款输入电压范围为6V到75V，输出电流为500mA的高性能DC/DC转换器。如需更大的输出电流，美国国家半导体还有输出电流为1A的产品：LM3404HV。
3.2 LED 驱动电路的设计及其间参数的计算
驱动电路可采用数据手册中的典型电路，见图2。
LM3402HV是一款降压COT（Constant On-Time）转换器。COT控制是基于V-S平衡工作原理，所谓V-S平衡理论是指在以稳定的脉宽调制的电源电路中，电感器上在一周期内的电压平均值为零。我们知道降压转换器的结构，D=Vo/Vin，及D=Ton/T。如果给定Ton为一常数，基于V-S平衡的理论，Toff也应为一常数（Vin和Vo为固定），即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。COT转换器的优点如下：
① 在电感电流连续模式下，输入电压变化时，开关频率接近固定；
② 较 PWM 具有更快的瞬态响应；
③ 不需要环路补偿；
④ 外围器件非常少；
⑤ 应用非常简单。
元器件的计算。假定，Vin=55V，Vout为14颗1W/350mA的LED(3.5V)供电，电压约为49V，则占空比D=49/55=0.89，考虑尽可能采用最高频率使外接元器件的体积最小化。因为恒导通控制有一个最小的关断时间300nS（见数据手册），我们选择30%的余量，300*1.3=390ns，那么T=390/(1-0.89)=3545ns，F=282kHz，Ton=3545*0.89 =3155ns=3μs。电感上的电压为VL=Vin-Vout=55-49=6(V)，恒导通LED控制的谷底电压为0.2V，我们选择纹波电流为输出电流的20%，则纹波电流为350*0.2=70（mA），那么0.2V对应的电流为350-70/2=315(mA)，所以我们选择检测电阻Rsns为0.2/0.315=0.635(欧)，实际可取这个值附近的电阻。另外根据Ton=3μs，Iripple=0.07A，则L=6*3/0.07=257(μH)。Ron=Ton*Vin/1.34E-10=3*55/1.34E-10=1.2(MΩ)。电压为Vin*(1+30%)=71.5(V)，电流为350+70/2=385(mA)，可以选择１A以上、耐压72V以上的肖特基二极管即可。Cb和Cf是针对芯片内部补偿，可以直接按参数表里的典型值选取，Cb=10nF，Cf=100nF。
3.3 综合设计的注意要点
设计电路并不复杂，但在实际应用中还需要注意以下要点：
① 电流 /温度约束驱动LED
图3是典型的LED灯的相对亮度输出与结温的关系图，图4为LED灯的前向电流与环境温度的关系图。
温度大于50℃时如果不加限流，多数LED的寿命将会减少，需应用温度传感器和运放来控制LED正向导通电流。具体解决方案，可采用美国国家半导体公司的半导体温度传感器，如LM94021。通过LM3402HV的DIM引脚，用PWM控制该引脚来达到减少LED灯的电流。表1为我国主要城市的全年的平均气温。
② 结构布局建议
对于路灯的PCB布线也要十分谨慎。由于LED路灯通常会用多组LED串灯来构成，这就需要多组LED驱动电路组成完整的驱动电路，任何设计上的缺陷都可能导致设计失败。
图5的PCB布局是很常见的，但这可能使路灯的设计失败。这里我们重申在电源设计中的PCB布局规则，信号地与电源地是分开的；信号地应连到最安静的底线上；应尽可能使大的纹波电流回路最短。图6是LED路灯设计应采用的布局，在该布局中每一个驱动电路都有一个自己的输入电容，并且每个驱动电路的地都连到单一的输入源的地上，这就大大改善了地线回路的噪声对电路的影响，同时也使驱动电路的纹波减少。
③ 带电换接的问题
通常LED路灯的AC/DC电源模块是通过比较长的电缆连接到LED灯的驱动电路，如图7所示。长的电缆会产生大的漏电感，而这一漏电感会产生非常大的尖峰电压烧毁LED灯的驱动电路。实测该尖峰电压可达100V以上，并发生LM3402HV的烧毁。有效的解决方案就是串接小电阻及在输入端并入TVS，同时在LM3402HV的Boot端串入阻尼电阻，很好地解决尖峰电压所带来的问题，如图8所示。
4 结论
采用如上所述的设计方案设计出的LED灯的驱动电路最终完全符合设计要求，完全达到环境温度从-40℃到45℃的测试要求。在48V输入14颗1W的LED灯时的驱动电路效率达到98%以上，采用LM3402HV设计的路灯产品可以完全达到路灯工业标准，如果仅采用其中一组进行设计，也可以用于室内照明。
由于LED照明优点诸多，使其应用也更加广泛。比如LED路灯的应用可使其拥有长达10万小时的使用寿命，同时具备省电、环保无汞、体积小、响应速度快、耐震、宽温等突出特点，这些都必将成为未来的路灯照明的趋势。但是，由于路灯的特殊设计，也对LED灯的驱动电路提出更高的要求。
2 设计要求
我们知道LED灯的亮度与电流的大小有关。不稳定的电流不仅使其亮度产生变化，也会影响LED的寿命。同时，为达到路灯的亮度要求，通常采用LED组来搭建满足要求的路灯。如：采用1W的LED灯，需要用一百颗以上的LED灯组成一个标准的路灯。通常采用串并联的组合来完成设计。另一方面，因为我国路灯的输入是220伏交流电，因此通常的做法也是采用AC/DC的模块，将220AC转换成12/24/36/48V的直流电压，然后通过LED驱动电路来点亮LED灯，如图1所示。
对于驱动电路的设计及LED串的配置来说，母线电压的选择至关重要。电压选择低（如12伏），固然对驱动电路芯片的选择会更多，但串接的LED个数也会少，这对同样LED数量的路灯设计来说，则势必会增加LED驱动模块，因此很不经济。另一方面，驱动电路的效率也至关重要，效率越高意味着驱动模块功耗越低，这不仅是为了省电，同时也可也以减少驱动模块产生的热量。第三点就是这种配置可以方便的通过增加或减少驱动模块的数量来调整LED灯的数量，满足不同的设计要求。本文就针对如下要求给出相应的LED驱动模块的设计方案。
①48V输入电压；
②97%以上的工作效率；
③14颗串行LED灯。
3 设计原理及分析计算
现在各厂家均有很多LED驱动的方案可供选择。但对于输入大于48V的宽范围的驱动方案来说，就显得寥寥无几了。美国国家半导体公司提供了很好的宽输入电压范围驱动LED方案的产品可供选择。
3.1 驱动芯片的选择
实际上在美国国家半导体公司的公司网站上就有LED的在线设计工具（http://www.national.com/appinfo/webench/led/pled.html），通过它可以很容易的找出合适的产品，并进行仿真设计。通过选择350mA的LED灯，输入电压范围选48V到60V，14颗串行LED灯，可以很方便的得到LM3402HV芯片的推荐。实际上LM3402HV是一款输入电压范围为6V到75V，输出电流为500mA的高性能DC/DC转换器。如需更大的输出电流，美国国家半导体还有输出电流为1A的产品：LM3404HV。
3.2 LED 驱动电路的设计及其间参数的计算
驱动电路可采用数据手册中的典型电路，见图2。
LM3402HV是一款降压COT（Constant On-Time）转换器。COT控制是基于V-S平衡工作原理，所谓V-S平衡理论是指在以稳定的脉宽调制的电源电路中，电感器上在一周期内的电压平均值为零。我们知道降压转换器的结构，D=Vo/Vin，及D=Ton/T。如果给定Ton为一常数，基于V-S平衡的理论，Toff也应为一常数（Vin和Vo为固定），即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。COT转换器的优点如下：
① 在电感电流连续模式下，输入电压变化时，开关频率接近固定；
② 较 PWM 具有更快的瞬态响应；
③ 不需要环路补偿；
④ 外围器件非常少；
⑤ 应用非常简单。
元器件的计算。假定，Vin=55V，Vout为14颗1W/350mA的LED(3.5V)供电，电压约为49V，则占空比D=49/55=0.89，考虑尽可能采用最高频率使外接元器件的体积最小化。因为恒导通控制有一个最小的关断时间300nS（见数据手册），我们选择30%的余量，300*1.3=390ns，那么T=390/(1-0.89)=3545ns，F=282kHz，Ton=3545*0.89 =3155ns=3μs。电感上的电压为VL=Vin-Vout=55-49=6(V)，恒导通LED控制的谷底电压为0.2V，我们选择纹波电流为输出电流的20%，则纹波电流为350*0.2=70（mA），那么0.2V对应的电流为350-70/2=315(mA)，所以我们选择检测电阻Rsns为0.2/0.315=0.635(欧)，实际可取这个值附近的电阻。另外根据Ton=3μs，Iripple=0.07A，则L=6*3/0.07=257(μH)。Ron=Ton*Vin/1.34E-10=3*55/1.34E-10=1.2(MΩ)。电压为Vin*(1+30%)=71.5(V)，电流为350+70/2=385(mA)，可以选择１A以上、耐压72V以上的肖特基二极管即可。Cb和Cf是针对芯片内部补偿，可以直接按参数表里的典型值选取，Cb=10nF，Cf=100nF。
3.3 综合设计的注意要点
设计电路并不复杂，但在实际应用中还需要注意以下要点：
① 电流 /温度约束驱动LED
图3是典型的LED灯的相对亮度输出与结温的关系图，图4为LED灯的前向电流与环境温度的关系图。
温度大于50℃时如果不加限流，多数LED的寿命将会减少，需应用温度传感器和运放来控制LED正向导通电流。具体解决方案，可采用美国国家半导体公司的半导体温度传感器，如LM94021。通过LM3402HV的DIM引脚，用PWM控制该引脚来达到减少LED灯的电流。表1为我国主要城市的全年的平均气温。
② 结构布局建议
对于路灯的PCB布线也要十分谨慎。由于LED路灯通常会用多组LED串灯来构成，这就需要多组LED驱动电路组成完整的驱动电路，任何设计上的缺陷都可能导致设计失败。
图5的PCB布局是很常见的，但这可能使路灯的设计失败。这里我们重申在电源设计中的PCB布局规则，信号地与电源地是分开的；信号地应连到最安静的底线上；应尽可能使大的纹波电流回路最短。图6是LED路灯设计应采用的布局，在该布局中每一个驱动电路都有一个自己的输入电容，并且每个驱动电路的地都连到单一的输入源的地上，这就大大改善了地线回路的噪声对电路的影响，同时也使驱动电路的纹波减少。
③ 带电换接的问题
通常LED路灯的AC/DC电源模块是通过比较长的电缆连接到LED灯的驱动电路，如图7所示。长的电缆会产生大的漏电感，而这一漏电感会产生非常大的尖峰电压烧毁LED灯的驱动电路。实测该尖峰电压可达100V以上，并发生LM3402HV的烧毁。有效的解决方案就是串接小电阻及在输入端并入TVS，同时在LM3402HV的Boot端串入阻尼电阻，很好地解决尖峰电压所带来的问题，如图8所示。
4 结论
采用如上所述的设计方案设计出的LED灯的驱动电路最终完全符合设计要求，完全达到环境温度从-40℃到45℃的测试要求。在48V输入14颗1W的LED灯时的驱动电路效率达到98%以上，采用LM3402HV设计的路灯产品可以完全达到路灯工业标准，如果仅采用其中一组进行设计，也可以用于室内照明。
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