在路灯、层板灯体育场照明及其他许多高功率照明应用中，发展的趋势正转向使用 LED 做为光源的固态照明，其中的原因在于 LED 具有更高的能源效率及较低的维护频率，而这两项因素也证明如此的转向确有其必要性。
在此类高功率照明应用中，目前正考虑使用各种方法来驱动这些照明灯具，本文将介绍一种能够以更高的效率及更低的系统成本来驱动多个 LED 灯串的新拓朴架构。
为了充分了解此一拓朴的优点，首先将探讨目前考虑使用或已经在低功率 LED 应用中发挥良好效果的各种方法。
其中一种简单的方法是使用能够将电源电压转换为 DC 输出电压 (例如 12V 或 24V) 的电源，然后以此一电源驱动并联 LED 灯串，并且在各个灯串中使用电阻来调节电流。这个方法的成本很低，但是现今的高亮度 LED 会耗用 350mA 以上的电流，因此这种方法的功率损耗极大。这个方法的效率不高，而且电流调节效果不佳，进而会使得灯串之间的光线输出差异极为明显。
若要改善这种方法，必须使用线性稳压器取代电阻，以提升所有灯串的光线输出一致性。然而，这样做只能使光线输出一致，对效率或功耗并未明显改善。对于使 LED 使用寿命达到最长而言，降低功耗非常重要。在这两种方法中，使用电阻或线性稳压器做为固定热源，都会大幅缩短 LED 的使用寿命。
另一种同样相当简单的方法是制作长的单一串联灯串，并使用能够产生高压 DC 稳定电流来源的单一电源。这种方法的高压运作会达到 60VDC 或 42V RMS 安全极低压 (SELV) 位准以上，而其中的照明设备或附件必须经过安全机构的许可，因此使得将相同电机设计运用于其他应用的弹性大为降低。
单一灯串方法的另外一项考虑因素是可靠性。如果只有一个 LED 开路坏掉，便会使整个照明设备不亮。虽然可加装许多消弧电路(crowbar)或其他装置来控制各个 LED 的开路状况，但是这会增加灯具的成本及复杂度。
在高功率 LED 照明应用中，最常使用具有切换稳压器以调节电流的多重灯串架构，其中的单一主电源会将 AC 电源转换为一般在 SELV 位准以下的单一 DC 总线电压。然后，此总线会为并联 LED 灯串供电，而各个灯串都有降压转换器 (最常见) 或升压转换器。为求简便，本文将分析局限于降压转换器，因为降压转换器在成本及部件数目方面都与升压转换器极为类似。
例如，图1显示低成本简易型降压稳压器电路。此电路包含 PWM 控制器、电感、MOSFET、二极管，以及多个电阻与电容。如果需要更高的效率，可以使用 MOSFET 代替二极管，并使用能够达到同步降压运作的 PWM 控制器。
图2显示利用降压稳压器进行电流调节的高功率多重灯串照明应用子系统区块。
AC 电源输入经过整流后，便供给到功率因子修正 (PFC) 升压电路，其中 PFC 会产生 400V 的高压，而向下游隔离 DC/DC 转换器提供输入电源。然后，该 DC/DC 转换器输出会用来产生低压总线 (一般为 12V 或 24V 范围)，并向经过降压调节的 LED 灯串供电。
这种方法拥有较高的效率，是让 LED 灯串数减到最小的理想选择。不过，对于具有 4 个以上灯串的高功率应用而言，部件数量及成本都会增加。对于电子部件厂商及供应链而言，他们自然乐于推销这样的业务，然而，对于照明设备厂商及其用户而言，如此高的成本不利于产品受到广泛使用。固态照明的长期稳定发展需要低成本驱动电路，以便市场成型并稳定增长。
图3显示串联输入、多重并联 LED (SIMPLE) 驱动器架构，这是一种极具成本效益的多重 LED 灯串驱动方法。除了 PFC 之外，这是一种两级方法，其中包括反向稳定电流降压稳压器及下游 DC/DC 变压器电路。这个方法的效率相当高，而且具有优异的灯串电流调节功能，最为重要的是，这是一个低成本的方法。对于针对各个灯串加装的单一被动硅控制整流器 (SCR) 消弧电路，这个方法也能够达到备援效用。如果一个 LED 或灯串开路坏掉，并不会影响其他灯串的照明功能。
在深入研究其中的运作之前，必须先讨论使用 SIMPLE 驱动多变压器方法时立即会面对的议题。首先需要注意这是电性隔离式设计，其中可设计二次侧输出电压维持在 SELV 位准以下。将输出电压维持在 SELV 位准以下，便不需要让照明设备与电源结合，并且互连以获得安全机构的许可。将输出维持在这些位准以下，可增加本身的弹性，而使得各种灯具都能够满足其他许多照明应用的需求。与本文讨论的所有脱机解决方案一样，电源仍然需要安全许可，但是灯具并不需要。
另外，从散热管理的角度而言，这种隔离式设计较为理想，因为其中没有对于 LED 近接或接触金属附件的任何限制。另一个显著的特点是这种设计不需要输出端的回馈，因此不需要使用光电或其他安全额定的隔离回馈装置。最后，请看看二次侧的简易性。二次侧只有少数的被动部件，而且没有任何偏压电源、主动部件或操控装置。
在运作方面，SIMPLE 驱动器拥有 1% 以上的绝佳灯串电流匹配，而且具有高效率的谐振运作，能够随着灯串数增加而达到更高的成本效益。
概述
PFC 电路的输出为反向降压电路的输入，反向降压可经过配置而产生稳定电流输出，这就是形成系统封闭回路的电流。这种电流产生的电流输出会向下游供给到 DC/DC 变压器电路，该电路包含一个半桥式控制器、两个 MOSFET、电容 C1 与 电容 C2，以及多个变压器。然后，该电流会流经半桥式 MOSFET 开关，到达串联变压器的一次侧。电容 C1 与 C2 能够发挥许多功能，可用于为半桥式建立分压器，同时是谐振电路的组成部件，并且是有助于避免变压器饱和的DC 阻隔电容。
谐振运作允许 MOSFET 开关以零电压切换 (ZVS) 进行切换，这可降低切换损耗，并且强制输出二极管达到零电流切换 (ZCS)，两者都有助于发挥最大的效率。
现已转换为 AC 电流的 DC 电流会通过所有串联变压器的一次侧前后谐振。可串联的变压器一次侧数目相当有弹性，因为可以选择绕组匝数比来支持许多变压器或 LED 灯串。计算匝数比需要考虑灯串数，这是由于灯串数会决定变压器的数目及各个灯串的正向电压。
设计考虑因素
若要发挥功率转换的最高效率，必须尽可能处理最少的功率。若要这么做，必须尽可能接近输入电压进行运作。由于大多数高功率照明应用都倾向支持主动 PFC 的使用，因此，为了简单起见，可以将它视为功能区块，并且将一些典型值分派给其中的输出。
由于大多数主动 PFC 电路的操作相当于升压转换器，因此 PFC 输出电压的设定必须高于最高 AC 线路电压的峰值。在 85V～265VAC 的一般输入范围中，这大约是 375V。增加容限及容差的一些动态范围之后，400V 便成为典型的设定值。为了确保下游降压拥有 PFC 输出变化的较多动态范围，就需要增加较多的容限，以适应约40V的涟波，这使得反向降压输入运作点下限为大约 360V。
为确保降压输出具有一定的顺应电压(compliance voltage)，以便运作正常，便需要提供一定的动态范围，并且将输出范围限定在 280V。
了解了各个范围限度之后，接着来看如何透过降压及变压器匝数比计算出稳定电流值的设计实例。
在此一实例中，使用了两个变压器以 1A 的电流驱动四个 LED 灯串，各个灯串都具有 10 个高功率 LED。
假设：LED 正向电压 Vf 为 3.5V，而且灯串电压为 35V
由于 DC 降压的输出运作点是设定在 280V，因此此时成为 DC/DC 变压器电路的输入。这表示，施加于串联一次侧的电压将为电容分压器 (由 C1 与 C2 组成) 电压的 1/2，使得串联一次侧配置的电压达到 140V。
如等式1所示，匝数比的计算现在变得相当容易：
各个变压器的一次侧电压 (VP) = 桥接电压/变压器数 = 140V/2 = 70V
2:1 匝数比(等式 1)
其中：
NP = 一次侧匝数
NS = 二次侧匝数
VS = 二次侧或 LED 灯串电压
VP = 各个一次侧绕组两端的电压
若要计算各个变压器驱动两个 LED 灯串时反向降压的电流输出设定值，必须先确认交替半周期中各个变压器只有一个灯串导电。这表示，为了在休眠期间维持 LED 导电而必须向导电灯串提供的电流必须是 LED 电流的 2 倍。在所需 LED 电流为 1A 的例子中，每半个周期向 LED 及滤波器电容提供的电流为 2A。
若要计算降压稳压器，必须如等式 2 所示设定电流值 (ISet)：
(等式 2)
结论
如上文所述，确定变压器需求相当简单，同时使得 SIMPLE 驱动器成为能够因应众多不同照明应用的极弹性解决方案。如果要使 SIMPLE 驱动器成为众多 LED 照明应用模块方法的一部份，便需要考虑上游功率级，例如半桥式的功率处理部件、反向降压及 PFC 等，因为必须调整这些功率级，才能处理您希望驱动器达到的最高功率级。
References
For more information about the SIMPLE drive multi-transformer, including reference designs, see the product folder for UCC28810: www.ti.com/ucc28810-ca, or evaluation module: www.ti.com/ucc28810evm003-ca.
For more information about this and other power solutions from Texas Instruments, visit www.ti.com/power-ca.
Ask questions and share knowledge in TI’s E2E online design community: http://www.ti.com/e2e-ca.
关于作者
James (Jim) Aliberti 现任德州仪器电源供应控制产品营销工程师，专门负责技术营销，本身拥有美国马萨诸塞州波士顿市温特沃斯理工学院 BSET 及 ASET 学位，先前曾任职于美国海军，从事航空电子研究。Jim 喜欢在闲暇时陪伴家人同乐和打高尔夫。
