摘 要： 本文针对 LED 路灯的要求，提出了高性能的串行 LED 灯的实际驱动电路设计方案，通过模块设计的方法进行灵活组合、宽
广的电压输入范围使其满足不同的设计要求。于此同时，文章还给出了具体参数计算及设计要点。
关键词： LED 路灯，驱动电路，模块设计，效率
1 概述
由于 LED 照明优点诸多，使其应用也更加广泛。比
如 LED 路灯的应用可使其拥有长达 10 万小时的使用寿命，
同时具备省电、环保无汞、体积小、响应速度快、耐震、
宽温等突出特点，这些都必将成为未来的路灯照明的趋势。
但是，由于路灯的特殊设计，也对 LED 灯的驱动电路提
出更高的要求。
2 设计要求
我们知道 LED 灯的亮度与电流的大小有关。不稳定
的电流不仅使其亮度产生变化，也会影响 LED 的寿命。
同时，为达到路灯的亮度要求，通常采用 LED 组来搭建
满足要求的路灯。如：采用 1W 的 LED 灯，需要用一百颗
以上的 LED 灯组成一个标准的路灯。通常采用串并联的
组合来完成设计。另一方面，因为我国路灯的输入是 220
伏交流电，因此通常的做法也是采用 AC/DC 的模块，将
220AC 转换成 12/24/36/48V 的直流电压，然后通过 LED
驱动电路来点亮 LED 灯，如图 1 所示。
对于驱动电路的设计及 LED 串的配置来说，母线电
压的选择至关重要。电压选择低（如 12 伏），固然对驱动
电路芯片的选择会更多，但串接的 LED 个数也会少，这
对同样 LED 数量的路灯设计来说，则势必会增加 LED 驱
动模块，因此很不经济。另一方面，驱动电路的效率也至
关重要，效率越高意味着驱动模块功耗越低，这不仅是为
了省电，同时也可也以减少驱动模块产生的热量。第三点
就是这种配置可以方便的通过增加或减少驱动模块的数量来调整 LED 灯的数量，满足不同的设计要求。本文就针
对如下要求给出相应的 LED 驱动模块的设计方案。
① 48V 输入电压；
② 97% 以上的工作效率；
③ 14 颗串行 LED 灯。
3 设计原理及分析计算
现在各厂家均有很多 LED 驱动的方案可供选择。但
对于输入大于 48V 的宽范围的驱动方案来说，就显得寥寥
无几了。美国国家半导体公司提供了很好的宽输入电压范
围驱动 LED 方案的产品可供选择。
3.1驱动芯片的选择
实际上在美国国家半导体公司的公司网站上就有 LED
的在线设计工具（http://www.national.com/appinfo/webench/
led/pled.html），通过它可以很容易的找出合适的产品，并
进行仿真设计。通过选择 350mA 的 LED 灯，输入电压范围选 48V 到 60V，14 颗串行 LED 灯，可以很方便的得到
LM3402HV 芯片的推荐。实际上 LM3402HV 是一款输入电
压范围为 6V 到 75V，输出电流为 500mA 的高性能 DC/DC
转换器。如需更大的输出电流，美国国家半导体还有输出
电流为 1A 的产品：LM3404HV。
3.2
LED驱动电路的设计及其间参数的计算
驱动电路可采用数据手册中的典型电路，见图 2。
LM3402HV 是一款降压 COT（Constant On-Time）转
换器。COT 控制是基于 V-S 平衡工作原理，所谓 V-S 平
衡理论是指在以稳定的脉宽调制的电源电路中，电感器
上在一周期内的电压平均值为零。我们知道降压转换器
的结构，D=Vo/Vin，及 D=Ton/T。如果给定 Ton 为一常数，
基于 V-S 平衡的理论，Toff 也应为一常数（Vin 和 Vo 为
固定），即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。COT 转换器的优点
如下：
① 在电感电流连续模式下，输入电压变化时，开关
频率接近固定；
② 较 PWM 具有更快的瞬态响应；
③ 不需要环路补偿；
④ 外围器件非常少；
⑤ 应用非常简单。
元 器 件 的 计 算。 假 定，Vin=55V，Vout 为 14 颗
1W/350mA 的 LED(3.5V) 供电，电压约为 49V，则占空比
D=49/55=0.89，考虑尽可能采用最高频率使外接元器件的体
积最小化。因为恒导通控制有一个最小的关断时间 300nS
（见数据手册），我们选择 30% 的余量，300*1.3=390ns，
那 么 T=390/(1-0.89)=3545ns，F=282kHz，Ton=3545*0.89
=3155ns=3μs。电感上的电压为 VL=Vin-Vout=55-49=6(V)，
恒导通 LED 控制的谷底电压为 0.2V，我们选择纹波电流
为输出电流的 20%，则纹波电流为 350*0.2=70（mA），那 么 0.2V 对应的电流为 350-70/2=315(mA)，所以我们选
择检测电阻 Rsns 为 0.2/0.315=0.635( 欧 )，实际可取这个
值 附 近 的 电 阻。 另 外 根 据 Ton=3μs，Iripple=0.07A， 则
L=6*3/0.07=257(μH)。Ron=Ton*Vin/1.34E-10=3*55/1.34E-
10=1.2(MΩ)。电压为 Vin*(1+30%)=71.5(V)，电流为
350+70/2=385(mA)，可以选择１A 以上、耐压 72V 以上的肖
特基二极管即可。Cb 和 Cf 是针对芯片内部补偿，可以直接
按参数表里的典型值选取，Cb=10nF，Cf
=100nF。
3.3综合设计的注意要点
设计电路并不复杂，但在实际应用中还需
要注意以下要点：
① 电流 / 温度约束驱动 LED
图 3 是典型的 LED 灯的相对亮度输出与结
温的关系图，图 4 为 LED 灯的前向电流与环境
温度的关系图。
温度大于 50℃时如果不加限流，多数 LED
的寿命将会减少，需应用温度传感器和运放来控
制 LED 正向导通电流。具体解决方案，可采用美
国国家半导体公司的半导体温度传感器，如 LM94021。通
过 LM3402HV 的 DIM 引脚，用 PWM 控制该引脚来达到减
少 LED 灯的电流。表 1 为我国主要城市的全年的平均气温。
② 结构布局建议
对于路灯的 PCB 布线也要十分谨慎。由于 LED 路灯
通常会用多组 LED 串灯来构成，这就需要多组 LED 驱动
电路组成完整的驱动电路，任何设计上的缺陷都可能导致
设计失败。
图 5 的 PCB 布局是很常见的，但这可能使路灯的设
计失败。这里我们重申在电源设计中的 PCB 布局规则，
信号地与电源地是分开的；信号地应连到最安静的底线上；
应尽可能使大的纹波电流回路最短。图 6 是 LED 路灯设
计应采用的布局，在该布局中每一个驱动电路都有一个自
己的输入电容，并且每个驱动电路的地都连到单一的输入
源的地上，这就大大改善了地线回路的噪声对电路的影响，
同时也使驱动电路的纹波减少。
③ 带电换接的问题
通常 LED 路灯的 AC/DC 电源模块是通过比较长的电
缆连接到 LED 灯的驱动电路，如图 7 所示。长的电缆会
产生大的漏电感，而这一漏电感会产生非常大的尖峰电压
烧毁 LED 灯的驱动电路。实测该尖峰电压可达 100V 以上，
并发生 LM3402HV 的烧毁。有效的解决方案就是串接小电
阻及在输入端并入 TVS，同时在 LM3402HV 的 Boot 端串
入阻尼电阻，很好地解决尖峰电压所带来的问题，如图 8
所示。
4 结论
采用如上所述的设计方案设计出的 LED 灯的驱动电
路最终完全符合设计要求，完全达到环境温度从 -40℃到
45℃的测试要求。在 48V 输入 14 颗 1W 的 LED 灯时的驱
动电路效率达到 98% 以上，采用 LM3402HV 设计的路灯
产品可以完全达到路灯工业标准，如果仅采用其中一组进
行设计，也可以用于室内照明。