大功率LED照明的设计以及优缺点分析

去年，“十城万盏”示范工程并没有像预期的那样带来丰硕的成果，反而是这种大功率 LED照明的缺点被充分地暴露出来： LED驱动 电源可靠性极差，发热高，很多LED的驱动电源被烧坏，其中很多都是由于不起眼的外围小器件坏掉而导致整个 驱动电路失效。“因为LED驱动电路效率低导致环境温度高，很多器件顶不住这么高的高温被烧掉。我也帮我们客户看过烧坏的器件，有的仅是小的三极管、 二极管烧掉，整个电源就崩掉了。” 德州仪器高性能 模拟 产品业务拓展经理刘学超对《 电子工程专辑》孙昌旭解释道，“看起来是个小问题，但LED整个环境温度非常高，70%的热量是通过散热片散的，散热片后面是驱动电源，温度很高，很难控制。”所以，业界现在的努力目标就是提升效率，降低漫度，提升集成度，减少 元器件数量，并一尽量用可靠的元器件。“比如说电感就是一个非常可靠的东西，电感是千百年来大家用的东西，而不是有源器件。”他补充。

针对这个目标， TI于今年正式推出了一种具有革命性创新的LED驱动架构——双极多串LLC拓朴架构，相对于传统的大功率（功率是250W—300W）LED驱动架构，该架构中省掉了昂贵的多串 高压 DC/DC降压器，改为多个变压器串联的LLC谐振电路，直接实现恒流，效率大幅提升至92%，比传统架构提升4-5%，元器件数量也大幅减小，可靠性提升，EMI设计更简单。（如图）“简单来说，它就是将原来需要的恒压模块与恒流模块合成为一个模块，相当于省掉一个恒压模块。”刘学超表示。

新旧架构的比较

上图中UCC25710是TI刚量产的一颗针对大功率LED照明和LED背光的、基于多个变压器串联的LLC谐振电路，已用在LED路灯和超薄LED电视的背光上。UCC25710就是基于TI创新的、具有专利的双级多串LLC拓朴架构而专门设计的。

（如上图）在传统的大功率LED照明架构图上可以看到，它有两个Block，第一个Block叫恒压模块， DC/DC出来以后得到一个恒压的输出，第二个是恒流模块，恒流模块是每串LED都会需要DC/DC升压或降压的电路，对每一串LED进行恒流。这是传统的典型的大功率LED驱动的拓扑架构。

这种拓扑架构的效率分布为：临界模式 PFC的最大值在97%左右，LLC谐振半桥效率目前在业界我们认定是比较高的，它的效率大概是96%，每一串恒流降压它的效率在95%左右，三个相乘的总效率（典型值）应该在88%以内。“当然有的客户可以做到90%，但会牺牲很多成本，比如说二极管需要 同步整流的二极管，这是用钱来提高效率。此外，在大的降压上做一些软块干扰工作，来得到一个高效，这些都是一些方法。但它总体来说效率不会太高，大概应该在88%左右。”刘学超解释道。

他继续分析：传统拓扑架构的缺点，首先它的成本非常高，因为它带有PFC、LLC电路，还有多串高压Buck（输入电压是54V），高压DC/DC成本是非常高的，每一串都需要一个。现在的路灯电源实际上是4—12串，也就是说你需要4—12串的Buck电路，有非常多的器件。

第二是效率非常低，从我们的经验来看，它的效率应该是在88%左右。第三是可靠性非常差，因为实际应用中每一串都需要一个Buck，PFC、LLC电路，整个电路由许多组件构成，导致可靠变变差。

最后一个，也是很重要的一个，就是这种传统架构的EMI问题也非常严重。因为每一串Buck开关频率没有进行同步，串与串之间有相互的干扰。“我在客户那儿看到，每一串输出的时候加了一个 共模电感，共模电感一方面增加了成本，另外在可靠性上面也会产生影响，所以，EMI是一个很大的问题，原因是每一串DC/DC目前很难做到同步，因为整个有4—12串的LED在上面。”刘学超说道。

针对这种情况，TI的专家在2008年底提出一个拓扑架构：直接恒流，一个变压器驱动多串LLC。相对于传统的架构，效率提升至93%。不过，由于当时采用了三级多串变压器架构，还是需要三个 IC：一个PFC，一个BUCK，一个PWM，成本并没有明显降低。

现在，这颗UCC25710出来，改为双级多串变压器架构，可以把Buck降压这一路给去掉，无需DC/DC降压，也就是直接对每一串LED进行控制，之后直接控制LLC谐振半桥电路，来实现每一串的 电流谐振控制。前提只需要一个升压的PFC。这个电路非常简单：只需要一个升压的PFC，再加上一个多串的变压器串联恒流的谐振半桥，就可得到大功率的LED驱动电流。

所以，大功率LED照明的新型双级多串LLC架构的优势可以总结为以下四点：

一是效率提升，这个新的拓扑架构实际总体效率可以达到92%。

二是成本很低，因为不需要每一串DC/DC的降压，TI用一串变压器可以驱动两串LED，两串变压器可以驱动四串LED，采用的变压器都是传统的变压器，成本远远低于用恒压的DC/DC对每一串进行驱动。“实际上，我们是省掉了一个恒压模块。”刘学超称。

第三，它的元器件非常少，所以它的可靠性很好，把恒压和恒流整个集成在一个模块上，而不是两个，使得可靠性得到提升。“此外，目前传统的方案用的 电容更多，因为每串DC/DC都需要电容，PFC也是电容，LLC也是电容。电容损坏也是影响LED路灯可靠性的一个重要因素。这个架构的电容数少，没有LLC、DC/DC电容，所以可靠性提升。”

第四，EMI问题减小，设计更简单。电路没有多串的DC/DC，只需要一个谐振半桥做出驱动，这样可以非常容易地得到EMI设计。“我们在这个板子上有传导的实验，这个板子设计好以后基本上就可以通过传导的测试，我个人认为，由于LLC电路本来的特点是非常好的EMI，性能非常好的一个电路，这相对于传统拓扑架构来说，EMI是非常好的。”他称。

此外，该电路可以兼容调光，还可以配合TI的无线 Zigbee进行调光，因为IC是放在侧边或模拟调光，对LED整串进行调光，来实现整体PWM或模拟调光。

“这个架构里的技术关键是一个变压器驱动两串LED，两个变压驱动四串LED，这样成本下降了，可靠性也提升了。”刘学超说道，为什么变压器能做每串均流的控制呢？这个问题实际上是非常简单的，就是我们把两个变压器的沿边进行串联，如果逆时电感足够得大， 耦合到侧边IP1就等于IP2，IS1…如果扎比相同的话，它是一个扎比的关系，就是Ip1/Np = Is1/Ns1，这是第一个变压器。第二个变压器，由于它的沿边是同一个变流，我们把沿边做一个串联，这样的话Ip1/Ip2，Np1=Is2/Ns，这样我们就可以得到Is1=Is2。就是通过这样的变压器持平衡方式来得到很好的电流的平衡度，理论上来说这是非常简单的理论，但我们把它用在LED的驱动电流上。

并且，刘学超表示，这里对变压器没有特殊的要求，一般的变压器电感量冗余在正负10%以内，变压器场站一般要求正负10%以内，“只要你能够做到正负10%以内，输出电流的冗余小于正负3%就可以了。”其实，除了路灯应用，它对于通用照明系统和商用照明也是适合的，只要需要多串形式的架构，这个拓扑结构都能使用。“客户看到我们这一创新型架构后都非常高兴，因为它实实在在的减小了成本，并且提升了可靠性。”刘学超称。

高压LED相比低压LED竞争优势明显

在同样输出功率下，高压LED所需的驱动电流大大低于低压LED。如以晶元 光电的高压蓝光1WLED为例，它的正向压降高达50V，也即它只需20mA驱动电流就可以输出1W功率，而普通正向压降为3V的1WLED，需要350mA驱动电流才能输出1W功率，因此同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。

高压LED可以大幅降低 AC-DC转换效率损失。以10W输出功率为例，如果采用正向压降为50V的1W高压LED，输出端可以采取2并4串的配置，4个串联LED的正向压降为200V，也就是说只需从市电220V交流电（AC）利用桥式整流及降20V就可以了。但如果我们采用正向压降为3V的1W低压LED，即便10个串在一起正向压降也不过30V，也就是说需要从220VAC市电降压到30VDC。我们知道，输入和输出压差越低，AC到DC的转换效率就越高，可见如采用高压LED，变压器的效率就可以得到大大提高，从而可大幅降低AC-DC转换时的功率损失，这一热耗减少又可进一步降低散热外壳的成本。

因此，如采用高压LED来开发LED通用照明灯具产品，总体功耗可以大大降低，从而大幅降低对散热外壳的设计要求，如我们可用更薄更轻的铝外壳就可满足LED灯具的散热需求，由于散热铝外壳的成本是 LED照明灯具的主要成本组成部分之一，铝外壳成本有效降低也意味着整体LED照明灯具成本的有效降低。由此可见，高压LED可以带来LED照明灯具成本和重量的有效降低，但其更重要的意义是大幅降低了对散热系统的设计要求，从而有力扫清了LED照明灯具进入室内照明市场的最大技术障碍。因此，高压LED将主导未来的LED通用照明灯具市场。
来源；电子工程网