大功率LED照明的設(shè)計以及優(yōu)缺點分析

去年，“十城萬盞”示范工程并沒有像預(yù)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(qū)動電源可靠性極差，發(fā)熱高，很多LED的驅(qū)動電源被燒壞，其中很多都是由于不起眼的外圍小器件壞掉而導(dǎo)致整個驅(qū)動電路失效?！耙驗長ED驅(qū)動電路效率低導(dǎo)致環(huán)境溫度高，很多器件頂不住這么高的高溫被燒掉。我也幫我們客戶看過燒壞的器件，有的僅是小的三極管、二極管燒掉，整個電源就崩掉了?！?a href="http://wenjunhu.com/tags/德州儀器/" target="_blank">德州儀器高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理劉學(xué)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(huán)境溫度非常高，70%的熱量是通過散熱片散的，散熱片后面是驅(qū)動電源，溫度很高，很難控制?！彼?，業(yè)界現(xiàn)在的努力目標(biāo)就是提升效率，降低漫度，提升集成度，減少元器件數(shù)量，并一盡量用可靠的元器件。“比如說電感就是一個非?？煽康臇|西，電感是千百年來大家用的東西，而不是有源器件?！彼a(bǔ)充。

針對這個目標(biāo)，TI于今年正式推出了一種具有革命性創(chuàng)新的LED驅(qū)動架構(gòu)——雙極多串LLC拓樸架構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的大功率（功率是250W—300W）LED驅(qū)動架構(gòu)，該架構(gòu)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(lián)的LLC諧振電路，直接實現(xiàn)恒流，效率大幅提升至92%，比傳統(tǒng)架構(gòu)提升4-5%，元器件數(shù)量也大幅減小，可靠性提升，EMI設(shè)計更簡單。（如圖）“簡單來說，它就是將原來需要的恒壓模塊與恒流模塊合成為一個模塊，相當(dāng)于省掉一個恒壓模塊。”劉學(xué)超表示。

新舊架構(gòu)的比較

上圖中UCC25710是TI剛量產(chǎn)的一顆針對大功率LED照明和LED背光的、基于多個變壓器串聯(lián)的LLC諧振電路，已用在LED路燈和超薄LED電視的背光上。UCC25710就是基于TI創(chuàng)新的、具有專利的雙級多串LLC拓樸架構(gòu)而專門設(shè)計的。

（如上圖）在傳統(tǒng)的大功率LED照明架構(gòu)圖上可以看到，它有兩個Block，第一個Block叫恒壓模塊，DC/DC出來以后得到一個恒壓的輸出，第二個是恒流模塊，恒流模塊是每串LED都會需要DC/DC升壓或降壓的電路，對每一串LED進(jìn)行恒流。這是傳統(tǒng)的典型的大功率LED驅(qū)動的拓?fù)浼軜?gòu)。

這種拓?fù)浼軜?gòu)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(yè)界我們認(rèn)定是比較高的，它的效率大概是96%，每一串恒流降壓它的效率在95%左右，三個相乘的總效率（典型值）應(yīng)該在88%以內(nèi)?！爱?dāng)然有的客戶可以做到90%，但會犧牲很多成本，比如說二極管需要同步整流的二極管，這是用錢來提高效率。此外，在大的降壓上做一些軟塊干擾工作，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(yīng)該在88%左右。”劉學(xué)超解釋道。

他繼續(xù)分析：傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)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?，F(xiàn)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(jīng)驗來看，它的效率應(yīng)該是在88%左右。第三是可靠性非常差，因為實際應(yīng)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(gòu)成，導(dǎo)致可靠變變差。

最后一個，也是很重要的一個，就是這種傳統(tǒng)架構(gòu)的EMI問題也非常嚴(yán)重。因為每一串Buck開關(guān)頻率沒有進(jìn)行同步，串與串之間有相互的干擾?！拔以诳蛻裟莾嚎吹?，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(chǎn)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?！眲W(xué)超說道。

針對這種情況，TI的專家在2008年底提出一個拓?fù)浼軜?gòu)：直接恒流，一個變壓器驅(qū)動多串LLC。相對于傳統(tǒng)的架構(gòu)，效率提升至93%。不過，由于當(dāng)時采用了三級多串變壓器架構(gòu)，還是需要三個IC：一個PFC，一個BUCK，一個PWM，成本并沒有明顯降低。

現(xiàn)在，這顆UCC25710出來，改為雙級多串變壓器架構(gòu)，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(jìn)行控制，之后直接控制LLC諧振半橋電路，來實現(xiàn)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(lián)恒流的諧振半橋，就可得到大功率的LED驅(qū)動電流。

所以，大功率LED照明的新型雙級多串LLC架構(gòu)的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下四點：

一是效率提升，這個新的拓?fù)浼軜?gòu)實際總體效率可以達(dá)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(qū)動兩串LED，兩串變壓器可以驅(qū)動四串LED，采用的變壓器都是傳統(tǒng)的變壓器，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用恒壓的DC/DC對每一串進(jìn)行驅(qū)動?！皩嶋H上，我們是省掉了一個恒壓模塊?！眲W(xué)超稱。

第三，它的元器件非常少，所以它的可靠性很好，把恒壓和恒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?！按送?，目前傳統(tǒng)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(gòu)的電容數(shù)少，沒有LLC、DC/DC電容，所以可靠性提升?！?/p>

第四，EMI問題減小，設(shè)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(qū)動，這樣可以非常容易地得到EMI設(shè)計?！拔覀冊谶@個板子上有傳導(dǎo)的實驗，這個板子設(shè)計好以后基本上就可以通過傳導(dǎo)的測試，我個人認(rèn)為，由于LLC電路本來的特點是非常好的EMI，性能非常好的一個電路，這相對于傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)來說，EMI是非常好的?！彼Q。

此外，該電路可以兼容調(diào)光，還可以配合TI的無線Zigbee進(jìn)行調(diào)光，因為IC是放在側(cè)邊或模擬調(diào)光，對LED整串進(jìn)行調(diào)光，來實現(xiàn)整體PWM或模擬調(diào)光。

“這個架構(gòu)里的技術(shù)關(guān)鍵是一個變壓器驅(qū)動兩串LED，兩個變壓驅(qū)動四串LED，這樣成本下降了，可靠性也提升了?！眲W(xué)超說道，為什么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(jìn)行串聯(lián)，如果逆時電感足夠得大，耦合到側(cè)邊IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的話，它是一個扎比的關(guān)系，就是Ip1/Np = Is1/Ns1，這是第一個變壓器。第二個變壓器，由于它的沿邊是同一個變流，我們把沿邊做一個串聯(lián)，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(qū)動電流上。

并且，劉學(xué)超表示，這里對變壓器沒有特殊的要求，一般的變壓器電感量冗余在正負(fù)10%以內(nèi)，變壓器場站一般要求正負(fù)10%以內(nèi)，“只要你能夠做到正負(fù)10%以內(nèi)，輸出電流的冗余小于正負(fù)3%就可以了?！逼鋵?，除了路燈應(yīng)用，它對于通用照明系統(tǒng)和商用照明也是適合的，只要需要多串形式的架構(gòu)，這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能使用?！翱蛻艨吹轿覀冞@一創(chuàng)新型架構(gòu)后都非常高興，因為它實實在在的減小了成本，并且提升了可靠性?！眲W(xué)超稱。

高壓LED相比低壓LED競爭優(yōu)勢明顯

在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅(qū)動電流大大低于低壓LED。如以晶元光電的高壓藍(lán)光1WLED為例，它的正向壓降高達(dá)50V，也即它只需20mA驅(qū)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(qū)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(yuǎn)低于低壓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(zhuǎn)換效率損失。以10W輸出功率為例，如果采用正向壓降為50V的1W高壓LED，輸出端可以采取2并4串的配置，4個串聯(lián)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。但如果我們采用正向壓降為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(zhuǎn)換效率就越高，可見如采用高壓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(zhuǎn)換時的功率損失，這一熱耗減少又可進(jìn)一步降低散熱外殼的成本。

因此，如采用高壓LED來開發(fā)LED通用照明燈具產(chǎn)品，總體功耗可以大大降低，從而大幅降低對散熱外殼的設(shè)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，由于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(tǒng)的設(shè)計要求，從而有力掃清了LED照明燈具進(jìn)入室內(nèi)照明市場的最大技術(shù)障礙。因此，高壓LED將主導(dǎo)未來的LED通用照明燈具市場。
來源；電子工程網(wǎng)