作者：美国国家半导体南欧公司现场应用工程师Christopher Richardson

简介

    作为电源管理部门一名致力于产品线应用的工程师，积累了关于多路输出产品的丰富经验。该领域的单电源已经获得了成功，为什么不开发双路或三路电源输出的产品呢？在LED照明领域，多通道恒流源有很多用途。RGB系统中流行使用三路或者多个三路输出，从应用于标牌和视频画面的每路每色输出10-20mA电流到用于视频投影和娱乐照明的每个LED每色40A输出均存在。为了实现RGB加黄色或RGB加白色的应用，也需要讨论四路输出器件。在高功率领域，大面积照明（HPWA照明）需要来自两个源的多路输出的LED驱动器。首先，典型HPWA应用（如公共街道照明、停车场和隧道照明）所需的流明数可能为10,000或更高，即使使用当今最好的器件，甚至使用每个LED可以发出200-300流明的较大电流的器件，也需要使用大量LED。其次，根据不同的安全等级，欧洲的EN61347和美国的UL8750等安全法规限制了单串LED可能达到的最大电压。60VDC是一个常见的极限值，串联的LED个数取决于每个LED的正向电压，一般串联的器件不可超过15至20个。如果需要更多的LED，必须增加更多的LED串。

要处理多个并联的LED串，并获得所需的总光通量，LED驱动器制造商和控制IC制造商提供了多路输出的系统，使每串LED都有一个独立的专用恒流源。这远远优于多串LED并联后用一个大电流源驱动和每个LED串串联限流电阻的方法。虽然以上两个方法价格便宜，但可能不会提供客户期望的从LED灯获得的可靠性、性能或寿命。本文探讨了这类多输出方法，并提出了一个新的模块化或“N+1”的方法，可以用现成的恒流AC-DC电源或用户定制的恒流源快速而轻松地实现增加或减少的LED串数量的控制。

灵活性为王

    从产品线应用工程师获得的经验来看，许多产品关于多路输出的定义符合LED的多路电源输出基本结论。同样的规律可以适用于几乎所有的多通道器件，无论是运算放大器、模数转换器（ADC）、传感器前端，还是电源：一旦设置了通道数，客户还会要求不同的东西。这就出现了单、双、四和八通道，以及背光和通用照明的多输出情况下LED驱动器的其他通道数，如三、六、七或十通道器件，仅举几例。图1显示了一个四路输出线性电流源，它可以采用菊花链接方式驱动更多通道，当灯设计人员确定需要多少串并联时，还可以最多禁用四个输出中的三个输出，以实现最大的灵活性。当LED制造商频繁的发布新产品以刷新单位功率流明或单位货币（美元、欧元、日元等）流明时，会导致方案中LED总使用数量因采用新一代LED产品而变化，但该设计仍能很好的适应。

    图1的系统有几个明显的优势，这一经典方法使用了AC-DC“一次电源”来降低中间总线电压（而且，由于安全标准通常在60VDC以下），那么可以为每个LED串设计一个基于开关稳压器的恒流源。利用这些多通道，可以更容易地集成线性电流源故障报告，由于线性稳压器产生的电气噪声在最低限度，满足电磁兼容性（EMC）要求也容易得多；利用控制IC检测LED串的电压并调节来自AC-DC电源的电源轨，可以使电源效率与开关稳压器的最佳效率相等。（这个概念被称为动态余量控制，DHC）。

    采用DHC的多输出线性系统仍存在一些弊端。例如，当所需的通道数从4个增加至5个时要怎么办。这时，可以使用两个LM3464，禁用一个器件中的两个通道和另一个所使用器件的三个通道，而留下八个未使用通道中的三个通道。LM3464还需要一个定制设计的一次电源来配合DHC反馈信号的工作。快速上市的时间压力对于设计定制AC-DC电源，并获得安全和EMC认证可能不太可行。出于这个原因，开发了一种使用多个LED串的HPWALED灯的新方法，它具有快速原型化和灵活性的特点。这种设计基于“N+1”的理念：可使用可扩展的单通道器件轻松增加和减少电流源。

所有数目均除以一

        LM3466采用了“N+1”的概念，不管器件数量多少，单通道线性电流源均使用简单的模拟通信，为LED灯提供灵活数目的电流源，以解决可能会遇到的最后时刻需要改变LED串数，以及可能要在系统运行时处理意外断开和重新连接一个或多个LED串的问题。

        LM3464、LM3466就是一种完全线性电源稳压器，不会将任何额外的开关噪声引入系统。虽然EMC测试和认证往往是事后处理的，但PCB布局、EMC滤波和测试工程所花费的时间可能等于或超过电源本身的设计时间。初级电源必须是一个开关稳压器，而且所有滤波可能往往集中在这一级所产生的EMI。像LM3464和其他基于DHC的稳压器一样，LM3466适用于两级系统的第二级。与LM3464不同，LM3466的设计适用于现成的AC-DC初级电源。DHC很容易获得从初级电源输出到LED的高达90％的电源效率，而且往往超过95％。这是通过调节输出电压并保持线性稳压器两端刚好足够的余量来实现的；LM3466通过使用恒流源作为其初级电源达到了同样的效果。根据定义，恒流电源可调节其所需的输出电压，以保持流过电流的设定电平。LED技术越来越受欢迎，现在许多知名品牌的AC-DC电源都为各种电流和功率提供了系列的完整隔离式、Class II或Class III安全额定值的电源。图2显示了一个典型LM3466系统，其中恒流AC-DC电源满足了应用中的电流、电压和功率需求。

    较高的电流意味着较高的局部功耗，剩下的LED的发热也较多，这可能可以接受，也可能无法接受。LM3466还有一个错误标记COMM引脚，而LED串断开后，与之链接的LM3466会将COMM引脚的状态变为逻辑低电平。图3显示了一个IOUT为1.75A的系统响应情况，电流被分配给了五串LED（每串14个串联的LED）。图3a中的串1突然断开。系统暂停约650毫秒，以确保开路故障不会出现机械抖动（bounce）或一些其他类型的瞬态事件。然后可以看到，LED串2中的电流增加至1.75 / 4 = 440mA。图3b中的串1重新连接，电流将以控制环路允许的最快速度达到均衡。

短路故障

    在一般情况下，由于串中LED数量的增加，要检测到一次LED短路故障也越来越困难。这是因为，由于一个LED的管芯温度上升可能等于或大于3.0V至3.5V，VF会出现自然变异和VF下降。旨在检测总串电压下降的电路设计可能让人错觉，由于总串电压的自然变化可引发错误标记或关闭处在错误条件下的LED串。

在使用LM3466的串中出现一个LED失效短路时，线性稳压器两端的电压增加以弥补差额，而流经该LED串的电流保持不变。通信和电压的匹配是采用并联LED的系统的主要优势。LM3466的响应与失效开路的LED相同，而且有反并联保护元件（如齐纳二极管或SCR）。其主要缺点是额外的功耗和LM3466必须承受产生的热量。为了解决这个问题，可以利用热关断电路监测LM3466的管芯温度，如果管芯温度达到165℃（典型值）将关断LED电流，同时将COMM引脚的错误标记状态从高变为低。

微调和控制

    与许多LED驱动器不同，LM3466没有包括PWM调光输入功能。由于初级电源是恒流型，断开所有LED串将迫使输入电压上升至其最大值。任何稳定的恒流AC-DC电源都会限制电压，但许多不同LED驱动电路的经验表明，当电压轨高于正向偏置LED所需的电平时，重新连接的LED串总是会导致电流瞬变。即使电压轨大容量电容被最小化，寄生电容和滤波电容仍可能存储足够的能量，出现造成LED损坏的电流尖峰。不过，LM3466提供了一个用偏置（offsetting）电阻来控制LED平均电流的方法，如图4所示。

结论

    匹配阻抗的系统为LED灯设计人员提供了一种简单、可扩展的替代方案。设计人员可以在不使用复杂调光控制的条件下，利用现成的AC-DC电源。不过，多个LM3466也可以与其他恒流源一起使用。例如，太阳能电池和电池系统或汽车电气系统都可以用DC-DC电流源和一系列LM3466供电，同时获得电源效率和灵活性的好处。

该系统还简化了线束，因为所有返回电流均流过了系统接地。位于每个LED串底部的LM3466允许与有共同阳极和需要通过独立阴极灌入适当电流的LED阵列一起使用。总体来说，LM3466为致力于LED照明设计的电气和电子工程师提供了又一个有用的工具。

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