大功率LED照明的設計以及優缺點分析

大功率LED照明的設計以及優缺點分析

電子工程網 發表於 2019-10-12 15:35:38

去年，「十城萬盞」示範工程並沒有像預期的那樣帶來豐碩的成果，反而是這種大功率LED照明的缺點被充分地暴露出來：LED驅動電源可靠性極差，發熱高，很多LED的驅動電源被燒壞，其中很多都是由於不起眼的外圍小器件壞掉而導致整個驅動電路失效。「因為LED驅動電路效率低導致環境溫度高，很多器件頂不住這麼高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶看過燒壞的器件，有的僅是小的三極體、二極體燒掉，整個電源就崩掉了。」德州儀器高性能模擬產品業務拓展經理劉學超對《電子工程專輯》孫昌旭解釋道，「看起來是個小問題，但LED整個環境溫度非常高，70%的熱量是通過散熱片散的，散熱片後面是驅動電源，溫度很高，很難控制。」所以，業界現在的努力目標就是提升效率，降低漫度，提升集成度，減少元器件數量，並一儘量用可靠的元器件。「比如說電感就是一個非常可靠的東西，電感是千百年來大家用的東西，而不是有源器件。」他補充。

針對這個目標，TI於今年正式推出了一種具有革命性創新的LED驅動架構——雙極多串LLC拓樸架構，相對於傳統的大功率（功率是250W—300W）LED驅動架構，該架構中省掉了昂貴的多串高壓DC/DC降壓器，改為多個變壓器串聯的LLC諧振電路，直接實現恆流，效率大幅提升至92%，比傳統架構提升4-5%，元器件數量也大幅減小，可靠性提升，EMI設計更簡單。（如圖）「簡單來說，它就是將原來需要的恆壓模塊與恆流模塊合成為一個模塊，相當於省掉一個恆壓模塊。」劉學超表示。

新舊架構的比較

上圖中UCC25710是TI剛量產的一顆針對大功率LED照明和LED背光的、基於多個變壓器串聯的LLC諧振電路，已用在LED路燈和超薄LED電視的背光上。UCC25710就是基於TI創新的、具有專利的雙級多串LLC拓樸架構而專門設計的。

（如上圖）在傳統的大功率LED照明架構圖上可以看到，它有兩個Block，第一個Block叫恆壓模塊，DC/DC出來以後得到一個恆壓的輸出，第二個是恆流模塊，恆流模塊是每串LED都會需要DC/DC升壓或降壓的電路，對每一串LED進行恆流。這是傳統的典型的大功率LED驅動的拓撲架構。

這種拓撲架構的效率分布為：臨界模式PFC的最大值在97%左右，LLC諧振半橋效率目前在業界我們認定是比較高的，它的效率大概是96%，每一串恆流降壓它的效率在95%左右，三個相乘的總效率（典型值）應該在88%以內。「當然有的客戶可以做到90%，但會犧牲很多成本，比如說二極體需要同步整流的二極體，這是用錢來提高效率。此外，在大的降壓上做一些軟塊幹擾工作，來得到一個高效，這些都是一些方法。但它總體來說效率不會太高，大概應該在88%左右。」劉學超解釋道。

他繼續分析：傳統拓撲架構的缺點，首先它的成本非常高，因為它帶有PFC、LLC電路，還有多串高壓Buck（輸入電壓是54V），高壓DC/DC成本是非常高的，每一串都需要一個。現在的路燈電源實際上是4—12串，也就是說你需要4—12串的Buck電路，有非常多的器件。

第二是效率非常低，從我們的經驗來看，它的效率應該是在88%左右。第三是可靠性非常差，因為實際應用中每一串都需要一個Buck，PFC、LLC電路，整個電路由許多組件構成，導致可靠變變差。

最後一個，也是很重要的一個，就是這種傳統架構的EMI問題也非常嚴重。因為每一串Buck開關頻率沒有進行同步，串與串之間有相互的幹擾。「我在客戶那兒看到，每一串輸出的時候加了一個共模電感，共模電感一方面增加了成本，另外在可靠性上面也會產生影響，所以，EMI是一個很大的問題，原因是每一串DC/DC目前很難做到同步，因為整個有4—12串的LED在上面。」劉學超說道。

針對這種情況，TI的專家在2008年底提出一個拓撲架構：直接恆流，一個變壓器驅動多串LLC。相對於傳統的架構，效率提升至93%。不過，由於當時採用了三級多串變壓器架構，還是需要三個IC：一個PFC，一個BUCK，一個PWM，成本並沒有明顯降低。

現在，這顆UCC25710出來，改為雙級多串變壓器架構，可以把Buck降壓這一路給去掉，無需DC/DC降壓，也就是直接對每一串LED進行控制，之後直接控制LLC諧振半橋電路，來實現每一串的電流諧振控制。前提只需要一個升壓的PFC。這個電路非常簡單：只需要一個升壓的PFC，再加上一個多串的變壓器串聯恆流的諧振半橋，就可得到大功率的LED驅動電流。

所以，大功率LED照明的新型雙級多串LLC架構的優勢可以總結為以下四點：

一是效率提升，這個新的拓撲架構實際總體效率可以達到92%。

二是成本很低，因為不需要每一串DC/DC的降壓，TI用一串變壓器可以驅動兩串LED，兩串變壓器可以驅動四串LED，採用的變壓器都是傳統的變壓器，成本遠遠低於用恆壓的DC/DC對每一串進行驅動。「實際上，我們是省掉了一個恆壓模塊。」劉學超稱。

第三，它的元器件非常少，所以它的可靠性很好，把恆壓和恆流整個集成在一個模塊上，而不是兩個，使得可靠性得到提升。「此外，目前傳統的方案用的電容更多，因為每串DC/DC都需要電容，PFC也是電容，LLC也是電容。電容損壞也是影響LED路燈可靠性的一個重要因素。這個架構的電容數少，沒有LLC、DC/DC電容，所以可靠性提升。」

第四，EMI問題減小，設計更簡單。電路沒有多串的DC/DC，只需要一個諧振半橋做出驅動，這樣可以非常容易地得到EMI設計。「我們在這個板子上有傳導的實驗，這個板子設計好以後基本上就可以通過傳導的測試，我個人認為，由於LLC電路本來的特點是非常好的EMI，性能非常好的一個電路，這相對於傳統拓撲架構來說，EMI是非常好的。」他稱。

此外，該電路可以兼容調光，還可以配合TI的無線Zigbee進行調光，因為IC是放在側邊或模擬調光，對LED整串進行調光，來實現整體PWM或模擬調光。

「這個架構裡的技術關鍵是一個變壓器驅動兩串LED，兩個變壓驅動四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了。」劉學超說道，為什麼變壓器能做每串均流的控制呢？這個問題實際上是非常簡單的，就是我們把兩個變壓器的沿邊進行串聯，如果逆時電感足夠得大，耦合到側邊IP1就等於IP2，IS1…如果扎比相同的話，它是一個扎比的關係，就是Ip1/Np = Is1/Ns1，這是第一個變壓器。第二個變壓器，由於它的沿邊是同一個變流，我們把沿邊做一個串聯，這樣的話Ip1/Ip2，Np1=Is2/Ns，這樣我們就可以得到Is1=Is2。就是通過這樣的變壓器持平衡方式來得到很好的電流的平衡度，理論上來說這是非常簡單的理論，但我們把它用在LED的驅動電流上。

並且，劉學超表示，這裡對變壓器沒有特殊的要求，一般的變壓器電感量冗餘在正負10%以內，變壓器場站一般要求正負10%以內，「只要你能夠做到正負10%以內，輸出電流的冗餘小於正負3%就可以了。」其實，除了路燈應用，它對於通用照明系統和商用照明也是適合的，只要需要多串形式的架構，這個拓撲結構都能使用。「客戶看到我們這一創新型架構後都非常高興，因為它實實在在的減小了成本，並且提升了可靠性。」劉學超稱。

高壓LED相比低壓LED競爭優勢明顯

在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅動電流大大低於低壓LED。如以晶元光電的高壓藍光1WLED為例，它的正向壓降高達50V，也即它只需20mA驅動電流就可以輸出1W功率，而普通正向壓降為3V的1WLED，需要350mA驅動電流才能輸出1W功率，因此同樣輸出功率的高壓LED在工作時耗散的功率要遠低於低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。

高壓LED可以大幅降低AC-DC轉換效率損失。以10W輸出功率為例，如果採用正向壓降為50V的1W高壓LED，輸出端可以採取2並4串的配置，4個串聯LED的正向壓降為200V，也就是說只需從市電220V交流電（AC）利用橋式整流及降20V就可以了。但如果我們採用正向壓降為3V的1W低壓LED，即便10個串在一起正向壓降也不過30V，也就是說需要從220VAC市電降壓到30VDC。我們知道，輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉換效率就越高，可見如採用高壓LED，變壓器的效率就可以得到大大提高，從而可大幅降低AC-DC轉換時的功率損失，這一熱耗減少又可進一步降低散熱外殼的成本。

因此，如採用高壓LED來開發LED通用照明燈具產品，總體功耗可以大大降低，從而大幅降低對散熱外殼的設計要求，如我們可用更薄更輕的鋁外殼就可滿足LED燈具的散熱需求，由於散熱鋁外殼的成本是LED照明燈具的主要成本組成部分之一，鋁外殼成本有效降低也意味著整體LED照明燈具成本的有效降低。由此可見，高壓LED可以帶來LED照明燈具成本和重量的有效降低，但其更重要的意義是大幅降低了對散熱系統的設計要求，從而有力掃清了LED照明燈具進入室內照明市場的最大技術障礙。因此，高壓LED將主導未來的LED通用照明燈具市場。
來源；電子工程網

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