離線式LED燈對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器IC要求

過(guò)去幾年，用作高清電視機(jī)(HDTV)顯示器背光照明的LED一直是LED市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。不過(guò)，隨著LED普通照明應(yīng)用在商用和住宅環(huán)境中引起越來(lái)越大的關(guān)注，LED的增長(zhǎng)將顯著加速。

　　LED照明高增長(zhǎng)率背后的主要驅(qū)動(dòng)力是，與傳統(tǒng)照明方法相比，LED照明的功耗大幅降低。與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出 (以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的25%。LED照明還有其他很多優(yōu)勢(shì)，但是也有一些與LED照明有關(guān)的挑戰(zhàn)。LED照明的優(yōu)勢(shì)包括工作壽命比白熾燈長(zhǎng)數(shù)個(gè)量級(jí)，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的TRIAC調(diào)光器給LED調(diào)光，也是一個(gè)主要的成本優(yōu)勢(shì)，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED能即時(shí)接通，不像CFL那樣需要預(yù)熱時(shí)間，而且LED對(duì)電源周期不敏感，這一點(diǎn)也與CFL不同。此外，LED不含任何需要管理或處置的有毒材料，而CFL需要有毒的水銀蒸氣才能工作。最后，LED能實(shí)現(xiàn)新的、非常扁平的外形尺寸，這是其他技術(shù)不可能做得到的。

　　可以使用離線式電源
 

　　能用離線式電源驅(qū)動(dòng)LED使得LED應(yīng)用得以迅猛增長(zhǎng)，因?yàn)檫@種形式的電源在商用和住宅建筑中很容易得到。盡管LED燈更換對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō)實(shí)行起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器IC的新要求卻大大增加了。因?yàn)長(zhǎng)ED需要良好調(diào)節(jié)的恒定電流源，以提供恒定量的光輸出，所以用AC輸入電源給LED供電需要一些特殊的設(shè)計(jì)方法，而且有一些非常特殊的設(shè)計(jì)要求。

　　根據(jù)所在國(guó)家和地區(qū)，離線式電源的范圍約為90VAC至265VAC，同時(shí)頻率范圍為50Hz至65Hz。因此，要為全球市場(chǎng)生產(chǎn)LED燈，理想情況是可提供無(wú)需修改就能適用于世界上任何地方的單一電路設(shè)計(jì)。這就需要單一LED驅(qū)動(dòng)器IC能處理多種輸入電壓和供電頻率。

　　此外，很多離線式LED應(yīng)用要求LED與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這主要是出于安全考慮，也是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。電氣隔離一般由隔離反激式LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)淅靡粋€(gè)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端和副端部分。

　　采用LED照明背后的驅(qū)動(dòng)力是提供一定量光輸出所需的功率極大降低，因此當(dāng)務(wù)之急是LED驅(qū)動(dòng)器IC要提供最高效率。因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器電路必須將高壓AC電源轉(zhuǎn)換為在較低電壓時(shí)能提供良好調(diào)節(jié)的LED電流，所以LED驅(qū)動(dòng)器IC必須設(shè)計(jì)為提供高于80%的效率，這樣才能不浪費(fèi)功率。

　　此外，為了讓LED燈可以使用住宅應(yīng)用中常見(jiàn)的、大量安裝的TRIAC調(diào)光器，LED驅(qū)動(dòng)器IC必須能有效地用這些調(diào)光器工作。TRIAC調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫O(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的阻性負(fù)載。然而，LED驅(qū)動(dòng)器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在AC輸入電壓處于其正峰值和負(fù)峰值時(shí)通常吸收高強(qiáng)度的峰值電流。因此，LED驅(qū)動(dòng)器IC必須通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)“模仿”一個(gè)純阻性負(fù)載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動(dòng)，并利用一個(gè)TRIAC進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

　　在LED照明中，功率因數(shù)校正(PFC)是一個(gè)重要的性能規(guī)格。簡(jiǎn)言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么就可實(shí)現(xiàn)等于1的功率校正因數(shù)。因?yàn)榘谉霟羰且环N純電阻性負(fù)載，所有輸入電流和輸入電壓是同相的，PFC為1。當(dāng)PFC與本地電源所需電功率大小有關(guān)時(shí)，PFC尤其重要。也就是說(shuō)，在一個(gè)電源系統(tǒng)中，就傳輸相同數(shù)量的有用功率而言，功率因數(shù)低的負(fù)載比功率因數(shù)高的負(fù)載吸取更大的電流。需要更大的電流會(huì)提高配電系統(tǒng)中損失的能量，這又導(dǎo)致需要較粗的導(dǎo)線和其他較大型的傳輸設(shè)備。因?yàn)檩^大型的設(shè)備成本高且浪費(fèi)能量，所以電力公司通常會(huì)向功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費(fèi)用。LED應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍然在開(kāi)發(fā)之中，不過(guò)大多數(shù)人認(rèn)為，將要求大部分LED照明應(yīng)用的PFC>0.90。

　　因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器電路(包括很多二極管、變壓器和電容器)的表現(xiàn)不會(huì)與純電阻性負(fù)載一樣，所以其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到高于0.9，有源或者無(wú)源PFC電路都必須設(shè)計(jì)到LED驅(qū)動(dòng)器電路中。還應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，在運(yùn)用大量LED照明陣列的應(yīng)用中，高PFC尤其重要。例如，在使用超過(guò)幾百個(gè)50W LED燈的停車庫(kù)中，高PFC(>0.95) LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)將是很有利的。

　　除了高PFC很重要外，最大限度地降低LED燈的諧波失真度也很重要。國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission)已經(jīng)制訂了IEC 61000-3-2 C類照明設(shè)備諧波規(guī)范，以確保新的LED照明系統(tǒng)滿足這些低失真要求。

　　在照明應(yīng)用中，能在較寬的線路輸入電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流是至關(guān)重要的，因?yàn)長(zhǎng)ED亮度的變化必須是人眼難以察覺(jué)的。類似地，為了確保LED有最長(zhǎng)的工作壽命，不用高于其最大額定值的電流驅(qū)動(dòng)LED也是很重要的。在隔離反激式應(yīng)用中調(diào)節(jié)LED電流并不總是很簡(jiǎn)單，而是常常需要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能要增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換級(jí)。不過(guò)，這兩種方法都增加了復(fù)雜性和可靠性問(wèn)題。幸運(yùn)的是，有些LED IC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法，以確保無(wú)需這些額外的組件和/或增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流。

　　要很快從白熾燈過(guò)渡到LED燈，面臨的最大障礙之一是基于LED解決方案的成本和尺寸。消費(fèi)者習(xí)慣于支付不到0.50美元更換一個(gè)60W的白熾燈，支付大約3美元更換一個(gè)同樣瓦數(shù)的CFL燈。支付超過(guò)30美元更換一個(gè)LED燈，是消費(fèi)者要克服的一大障礙。以這樣的價(jià)格計(jì)算，在LED的壽命期內(nèi)，節(jié)省的電能和更換成本相比，換成LED燈確實(shí)有經(jīng)濟(jì)意義。不過(guò)，大多數(shù)消費(fèi)者不習(xí)慣于這樣聯(lián)系起來(lái)看問(wèn)題。一般而言，倉(cāng)庫(kù)、停車庫(kù)等尤其因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會(huì)更快地采用LED照明，因?yàn)橘M(fèi)用節(jié)省更加明顯。隨著LED燈購(gòu)買費(fèi)用的下降，將有更多消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向LED照明。

　　圖1 采用LT3799和TRIAC可調(diào)光的20W離線式LED驅(qū)動(dòng)器

　　最后一個(gè)同樣重要的因素是，LED照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進(jìn)燈座就可以更換的，因此整個(gè)LED解決方案必須能裝進(jìn)與原來(lái)的白熾燈體積和形狀相同的空間中。LED需要一個(gè)散熱器和一個(gè)復(fù)雜得多的驅(qū)動(dòng)器電路，所以在與白熾燈體積和形狀相同的空間中裝入包括這兩個(gè)部分的整個(gè)LED解決方案，可能是個(gè)挑戰(zhàn)。因此，所需要的LED驅(qū)動(dòng)器IC要能在一個(gè)簡(jiǎn)單、占板面積緊湊的解決方案中提供所有這些需要的功能和特性。[!--empirenews.page--]一種新的解決方案

　　為了滿足離線式照明的要求(例如高功率因數(shù)、高效率、隔離和TRIAC調(diào)光器兼容性)，以前的LED驅(qū)動(dòng)器采用很多外部分立式組件，結(jié)果形成了又大又復(fù)雜的解決方案。凌力爾特的LT3799集成了離線式LED照明需要的所有功能，解決了這些復(fù)雜性、空間和性能問(wèn)題。LT3799是一款具有源功率因數(shù)校正的隔離反激式LED控制器，專門為在90VAC至265VAC的通用輸入范圍驅(qū)動(dòng)LED而設(shè)計(jì)。該器件以關(guān)鍵導(dǎo)通(邊界)模式控制一個(gè)隔離反激式轉(zhuǎn)換器，適用于需要4W至超過(guò)100W或更高LED功率的LED應(yīng)用。其新穎的電流檢測(cè)電路無(wú)需使用光耦合器，就能向副端提供良好調(diào)節(jié)的輸出電流。其獨(dú)特的泄能電路使得LED驅(qū)動(dòng)器可與TRIAC調(diào)光器相兼容，而無(wú)需增設(shè)額外的組件。LED開(kāi)路和短路保護(hù)確保長(zhǎng)期可靠性。

　　圖2 具有源功率因數(shù)校正的LT3799的VIN和IIN波形

　　圖1顯示了一個(gè)完整的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，其效率高達(dá)86%。LT3799從主端開(kāi)關(guān)電流波形檢測(cè)輸出電流。就一個(gè)以邊界模式工作的反激式轉(zhuǎn)換器而言，輸出電流方程式為：

　　IPK是峰值開(kāi)關(guān)電流，N是主端至副端匝數(shù)比，D是占空比。該IC通過(guò)一種新穎的反饋控制電路調(diào)節(jié)峰值開(kāi)關(guān)電流和占空比以此調(diào)節(jié)輸出電流。與需要知道輸入功率和輸出電壓信息的其他主端檢測(cè)方法不同，這種新型電路提供好得多的輸出電流調(diào)節(jié)，因?yàn)闇?zhǔn)確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開(kāi)關(guān)RDS(ON)、輸出二極管正向壓降和LED電纜壓降的影響。

　　圖3 MOSFET柵極信號(hào)和VIN

　　大功率因數(shù)、低諧波

　　通過(guò)使線路電流跟隨施加的正弦波電壓，LT3799實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)，并且滿足了IEC 61000-3-2 C類照明設(shè)備諧波要求。如果所吸取的電流與輸入電壓成正比，就能實(shí)現(xiàn)等于1的功率因數(shù)。LT3799用一個(gè)從輸入電壓產(chǎn)生的、與輸入電壓成比例的電壓調(diào)制峰值開(kāi)關(guān)電流。如在圖2中能看到的那樣，這種方法提供0.98或更高的功率因數(shù)。一個(gè)小帶寬反饋環(huán)路保持對(duì)輸出電流的調(diào)節(jié)，而且不會(huì)使輸入電流失真。

　　可與TRIAC調(diào)光器兼容

　　當(dāng)TRIAC調(diào)光器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，它不是徹底斷開(kāi)的。有相當(dāng)大的泄漏電流通過(guò)其內(nèi)部濾波器流到LED驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)電流給LED驅(qū)動(dòng)器的輸入電容器充電，從而導(dǎo)致LED隨機(jī)開(kāi)關(guān)和閃爍。以前的解決方案增加一個(gè)泄能電路，該電路包括一個(gè)大而昂貴的高壓MOSFET。LT3799將變壓器主端繞組和主開(kāi)關(guān)用作泄能電路，因此無(wú)需這類MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示，當(dāng)TRIAC斷開(kāi)時(shí)，MOSFET柵極信號(hào)為高，且MOSFET接通，從而泄放掉漏電電流，并保持輸入電壓為0V。TRIAC一旦接通，MOSFET就無(wú)縫地變回正常的供電器件。

　　LED電流調(diào)節(jié)

　　此外，LT3799在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)提供LED電流調(diào)節(jié)。見(jiàn)圖4，可以看到，正如大多數(shù)美國(guó)照明應(yīng)用所要求的那樣，當(dāng)輸入從90VAC變到150VAC時(shí)，LED電流保持在±5%的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。LT3799采用一個(gè)獨(dú)特的電流檢測(cè)電路取代了光耦合器，以向副端提供良好調(diào)節(jié)的電流。這不僅降低了成本，還改善了可靠性。

　　LED開(kāi)路和短路保護(hù)

　　通過(guò)變壓器的第三個(gè)繞組持續(xù)監(jiān)視LED電壓。當(dāng)主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，第三個(gè)繞組的電壓與輸出電壓成正比，輸出二極管傳導(dǎo)電流。一旦過(guò)壓或LED開(kāi)路，主開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)，CT引腳的電容器開(kāi)始放電。然后該電路進(jìn)入打嗝模式。在LED短路情況下，VIN引腳電壓降至低于UVLO門限之前，該IC以最低頻率運(yùn)行，因?yàn)榈谌齻€(gè)繞組不能給該IC提供足夠的功率。然后該IC進(jìn)入啟動(dòng)排序狀態(tài)。

　　CTRL引腳和模擬調(diào)光

　　LT3799的輸出可以通過(guò)多個(gè)CTRL引腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個(gè)加到任意CTRL引腳的DC控制電壓，以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。過(guò)熱保護(hù)和線路過(guò)壓保護(hù)功能也可以利用這些CTRL引腳輕松地實(shí)現(xiàn)。

　　緊湊和具成本效益的解決方案

　　圖4 LT3799 LED電流調(diào)節(jié)與VIN(AC)

　　LT3799運(yùn)用具有整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路(包括EMI濾波器)的單級(jí)設(shè)計(jì)，僅需要40個(gè)外部組件，可使解決方案布局簡(jiǎn)單、占板面積緊湊并具有成本效益。圖1中20W電路的總尺寸僅為30mm×75mm，厚度僅為30mm，非常適用于多種LED應(yīng)用。通過(guò)改變幾個(gè)外部組件，這個(gè)電路就可以進(jìn)一步為120VAC、240VAC甚至377VAC應(yīng)用或幾乎任何常見(jiàn)的AC輸入而優(yōu)化。

　　結(jié)論

　　面向通用照明應(yīng)用的離線供電LED不斷促進(jìn)對(duì)高性能和具成本效益的LED驅(qū)動(dòng)器IC解決方案的需求。這類LED驅(qū)動(dòng)器必須具有電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調(diào)光功能。此外，它們還必須提供良好調(diào)節(jié)的LED電流，以保持一致的亮度，而不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，同時(shí)它們必須提供各種保護(hù)功能以提高系統(tǒng)的可靠性。向LED照明過(guò)渡的經(jīng)濟(jì)性也要求LED驅(qū)動(dòng)器電路必須非常具成本效益。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類LED驅(qū)動(dòng)器了。