實例解析脫機式LED照明設(shè)計

因應脫機式LED在一般照明的應用需求，LED驅(qū)動器除須提供電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調(diào)光功能外，還要有良好的LED電流調(diào)節(jié)，以保持一致的亮度。同時，不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，LED驅(qū)動器都必須提供保護功能，以確保系統(tǒng)可靠性。

當人們越來越關(guān)注傳統(tǒng)照明方法對于環(huán)境的影響時，發(fā)光二極管(LED)的價格也不斷地持續(xù)下降，因此，就許多脫機式應用而言，大功率LED正在迅速地成為流行的照明解決方案。高亮度LED能節(jié)省能源、具有長壽命并對環(huán)境有利，這些特點不斷促使種類繁多的固態(tài)照明(SSL)應用的發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Strategies Unlimited報告顯示，到2010年底，高亮度LED的市場規(guī)模已經(jīng)達到82億美元，預計至2015年將成長到200億美元以上。過去幾年，用于高畫質(zhì)電視(HDTV)顯示器背光照明的LED一直是LED市場成長的主要動力。不過，隨著LED一般照明應用在商用和住宅環(huán)境逐漸盛行，LED的成長將會顯著加速。

與傳統(tǒng)照明方法相比，LED照明的功耗可大幅降低，這是LED照明高成長率背后的主因。若與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出(以流明為單位)，LED需要的電功率則不到白熾燈的25%。LED照明還有其他很多優(yōu)勢，包括工作壽命比白熾燈長，這可大幅降低更換成本;能利用以前安裝的三端雙向可控硅開關(guān)閘流體(TRIAC)調(diào)光器為LED調(diào)光，也是一個主要的成本優(yōu)勢，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED能實時導通，不像節(jié)能熒光燈(CFL)那樣需要預熱時間，而且LED對電源周期不敏感，這一點也與CFL不同。此外，LED不含任何須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能實現(xiàn)新的、非常扁平的外形尺寸，這是其他技術(shù)所無法做到的。

LED照明設(shè)計要求甚嚴　驅(qū)動電源成關(guān)鍵

使用脫機式電源驅(qū)動LED，可讓LED應用得以迅速成長，因為這種形式的電源在商用和住宅建筑中相當容易取得。盡管LED燈更換對終端用戶來說實行起來相對簡單，但是對LED驅(qū)動器集成電路(IC)的設(shè)計困難度卻大大增加。由于LED需要良好調(diào)節(jié)的定電流源，以提供恒定量的光輸出，所以用交流電(AC)輸入電源為LED供電需要一些特殊的設(shè)計方法，而且有一些非常特殊的設(shè)計要求。

依據(jù)在世界上不同地方的差異，脫機式電源的范圍約為90～265伏交流電(VAC)，同時頻率范圍為50～65Hz。因此，要為全球市場生產(chǎn)LED燈，理想情況是可提供無須修改就能適用于世界上任何地方的單一電路設(shè)計。這就需要單一LED驅(qū)動器IC能處理多種輸入電壓和供電頻率。

此外，很多脫機式LED應用，要求其與驅(qū)動電路實現(xiàn)電氣隔離。這主要是基于安全考慮。電氣隔離一般由隔離反馳式LED驅(qū)動器架構(gòu)提供，該架構(gòu)利用一個變壓器隔離驅(qū)動電路的一次側(cè)和二次側(cè)部分。

采用LED照明背后的驅(qū)動力，是電源提供一定量光輸出所需的功率已大幅降低，因此，當務之急是LED驅(qū)動器IC要提供最高效率。因為LED驅(qū)動器電路必須將高壓交流電源轉(zhuǎn)換為在較低電壓時，能提供良好調(diào)節(jié)的LED電流，所以LED驅(qū)動器IC必須設(shè)計為提供高于80%的效率，如此才不會浪費功率。

此外，為了讓LED燈可以使用住宅應用中常見的TRIAC調(diào)光器，LED驅(qū)動器IC必須能有效地用這些調(diào)光器工作。TRIAC調(diào)光器系專門為白熾燈和鹵素燈而設(shè)計，這兩種燈是理想的電阻性負載。然而，LED驅(qū)動器電路一般是非線性的，而且不是純電阻性負載。其輸入橋式整流器在交流電輸入電壓處于其正和負峰值時，通常汲取高強度的峰值電流。因此，LED驅(qū)動器IC必須通過設(shè)計來「模仿」一個純電阻性負載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確啟動，并利用一個TRIAC進行適當?shù)恼{(diào)光。

在LED照明中，功率因子校正(PFC)是一個重要的性能規(guī)格。簡而言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么就可實現(xiàn)等于1的功率校正因子。因為白熾燈是一種純電阻性負載，所有輸入電流和輸入電壓是同相的，PFC為1。當PFC與本地電源所需電功率大小有關(guān)時更為重要，也就是說，在一個電源系統(tǒng)中，就傳輸相同數(shù)量的有用功率而言，功率因子低的負載比功率因子高的負載汲取更大的電流。需要更大的電流會提高配電系統(tǒng)中損失的能量，而這又導致需要較粗的導線和其他較大型的傳輸設(shè)備。因為較大型不僅設(shè)備成本高且浪費能量，所以電力公司通常會向功率因子較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費用。目前LED應用的國際標準仍然在開發(fā)之中，不過大多數(shù)人認為，將要求大部分LED照明應用的PFC>0.90。

因為LED驅(qū)動器電路(包括很多二極管、變壓器和電容)的表現(xiàn)不會與純電阻性負載一樣，所以其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到大于 0.9，主動或者被動PFC電路都必須設(shè)計到LED驅(qū)動器電路中。必須注意的是，在運用大量LED照明數(shù)組的應用中，高PFC尤其重要。例如，在使用超過幾百個50瓦(W)LED燈的停車庫中，高PFC(>0.95)LED驅(qū)動器設(shè)計將是很有利的。

除了高PFC之外，將LED燈的諧波失真度降至最低也很重要。國際電工委員會(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)準確調(diào)節(jié)LED電流是至關(guān)重要的，因為LED亮度的變化必須是肉眼難以察覺的。相同地，為了確保LED有最長的工作壽命，不用高于其最大額定值的電流驅(qū)動LED也是很重要的。在隔離反馳式應用中調(diào)節(jié)LED電流并不是很容易，常常還需要一個光耦合器來閉合所需的回授環(huán)路，或者可能要增加一個額外的轉(zhuǎn)換級。不過，這兩種方法都增加了復雜性和可靠性問題。所幸，有些LED驅(qū)動器IC采用新的設(shè)計方法，以確保無需這些額外的組件或增加設(shè)計復雜性，就能準確調(diào)節(jié)LED電流。

要快速地從白熾燈過渡到LED燈，所面臨的最大障礙之一是LED解決方案的成本和尺寸。一般而言，尤其如倉庫、停車庫等設(shè)施，因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會更快采用LED照明，因為費用節(jié)省更加明顯。隨著LED燈購買費用的下降，預期將有更多消費者愿意轉(zhuǎn)向LED照明。

最后，同樣重要的因素則是LED照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進燈座就可以更換，因此整個LED解決方案必須能裝進與原來的白熾燈體積和形狀相同的空間中。LED需要一個散熱片和一個極復雜的驅(qū)動器電路，所以在與白熾燈體積和形狀相同的空間中，裝入包括這兩個部分的整個LED解決方案，可能是個挑戰(zhàn)。因此，所需要的LED驅(qū)動器IC要能在一個簡單、且面積精小的解決方案中提供所有這些需要的功能和特性。

滿足脫機式照明要求　高整合驅(qū)動器出爐

為了滿足脫機式照明的要求，例如高功率因子、高效率、隔離和TRIAC調(diào)光器兼容性，先前的LED驅(qū)動器采用很多外部分立式組件，結(jié)果形成了既龐大又復雜的解決方案。而最新的驅(qū)動器LT3799則整合了脫機式LED照明需要的所有功能，解決了相關(guān)復雜性、空間和效能問題。LT3799是一款具主動功率因子校正的隔離反馳式LED控制器，專門為在90～265VAC的通用輸入范圍驅(qū)動LED而設(shè)計。該組件以關(guān)鍵導通(邊界)模式控制一個隔離反馳式轉(zhuǎn)換器，適用于需要4～100瓦或更高LED功率的LED應用。其新穎的電流檢測電路無須使用光耦合器，就能向二次側(cè)提供良好調(diào)節(jié)的輸出電流。其獨特的泄能(Bleeder)電路使得LED驅(qū)動器可與TRIAC調(diào)光器兼容，而無須增設(shè)額外的組件。LED開路和短路保護則可確保長期可靠性。

圖1顯示一個完整的LED驅(qū)動器解決方案，其效率高達86%。從一次側(cè)開關(guān)電流波形檢測輸出電流。就一個以邊界模式工作的反馳式轉(zhuǎn)換器而言，輸出電流方程式為：IOUT=0.5×IPK×N×(1–D)，IPK代表峰值開關(guān)電流，N是一次側(cè)至二次側(cè)匝數(shù)比，D為工作周期比。該IC透過一種新穎的回饋控制電路調(diào)節(jié)峰值開關(guān)電流和工作周期比以此調(diào)節(jié)輸出電流。與須要知道輸入功率和輸出電壓信息的其他一次側(cè)檢測方法不同，這種新型電路提供較好的輸出電流調(diào)節(jié)，因為準確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開關(guān)RDS(ON)、輸出二極管正向壓降和LED電纜壓降的影響。

高功率因子/低諧波防止電流失真

透過使線路電流跟隨施加的正弦波電壓，這種高功能整合的驅(qū)動電路實現(xiàn)了高功率因子，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，就能實現(xiàn)等于1的功率因子。其用一個從輸入電壓產(chǎn)生并與輸入電壓成比例的電壓調(diào)制峰值開關(guān)電流。如圖2所示，這種方法提供0.98或更高的功率因子。一個小帶寬回饋環(huán)路保持對輸出電流的調(diào)節(jié)，而且不會使輸入電流失真。

可與TRIAC調(diào)光器相容

當TRIAC調(diào)光器處于斷開狀態(tài)時，其實不是徹底斷開的。有相當大的漏電流通過其內(nèi)部濾波器流至LED驅(qū)動器。這個電流為LED驅(qū)動器的輸入電容器充電，進而導致LED隨機開關(guān)和閃爍。過往的解決方案是增加一個泄能電路，該電路包括一個大且昂貴的高壓金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)。LT3799將變壓器一次側(cè)繞組和主開關(guān)用作泄能電路，因此無需這類MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示，當TRIAC斷開時，MOSFET閘極訊號為高，且MOSFET接通，進而泄放掉漏電電流，并保持輸入電壓為 0伏特(V)。TRIAC一導通，MOSFET就無縫地變回正常的供電組件。

獨特LED電流調(diào)節(jié)降低成本提高可靠性

此外，LT3799在整個輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)提供LED電流調(diào)節(jié)。從圖4可見，正如大多數(shù)美國照明應用所要求，當輸入從90VAC變到150VAC時，LED電流保持在±5%的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。LT3799采用一個獨特的電流檢測電路取代了光耦合器，以向二次側(cè)提供良好調(diào)節(jié)的電流。此舉不僅降低了成本，還改善了可靠性。

LED開路/短路保護

通過變壓器的第三個繞組持續(xù)監(jiān)視LED電壓。當主開關(guān)斷開時，第三個繞組的電壓與輸出電壓成正比，輸出二極管傳導電流。一旦過壓或LED開路，主開關(guān)就斷開，高精度比流器(CT)接腳的電容開始放電。然后該電路進入打嗝(Hiccup)模式。在LED短路情況下，VIN接腳電壓降至低于欠電壓(UVLO)門限之前，該IC以最低頻率運行，因為第三個繞組不能給該IC提供足夠的功率，然后該IC進入啟動排序狀態(tài)。

CTRL接腳控制電壓實現(xiàn)模擬調(diào)光LT3799的輸出可以通過多個CTRL接腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個加到任意CTRL接腳的直流電(DC)控制電壓，以實現(xiàn)模擬調(diào)光。過熱保護和線路過壓保護功能也可以利用這些CTRL接腳輕松地實現(xiàn)。

創(chuàng)造更精小并具成本效益解決方案LT3799運用具整個LED驅(qū)動電路(包括電磁干擾濾波器)的單級設(shè)計，僅需要四十個外部組件，讓解決方案簡單、配置面積精小和具成本效益等優(yōu)勢。圖1中20瓦電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米，厚度僅為30毫米，非常適用于多種LED應用。透過改變幾個外部組件，這個電路就可以進一步為120VAC、240VAC甚至377VAC應用或幾乎任何常見的AC輸入而優(yōu)化。

為因應通用照明應用的脫機供電LED，不斷促進對高性能和具成本效益的LED驅(qū)動器IC解決方案需求。這類LED驅(qū)動器須提供電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調(diào)光功能。并且提供良好調(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，都必須提供保護功能以提高系統(tǒng)可靠性。向LED照明過渡的經(jīng)濟性也要求LED驅(qū)動器電路須非常具成本效益，慶幸的是，這類LED驅(qū)動器已經(jīng)問世。