新一代離線式LED燈對LED驅(qū)動器IC有更多要求

背景

人們越來越關(guān)注使用傳統(tǒng)照明方法對環(huán)境的影響，同時 LED 價格在不斷下降，因此就很多離線式應(yīng)用而言，大功率 LED 正在迅速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，這些特點不斷促進種類繁多的固態(tài)照明 (SSL) 應(yīng)用的發(fā)展。因此，LED 的增長率持續(xù)加速，應(yīng)該并不令人意外。到 2010 年末，高亮度 LED 的市場規(guī)模達到了 82 億美元，預(yù)計到 2015 年將增長到超過 200 億美元，年復(fù)合增長率為 30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。過去幾年，用作高清電視機 (HDTV) 顯示器背光照明的 LED 一直是 LED 市場增長的主要驅(qū)動力。不過，隨著 LED 普通照明應(yīng)用在商用和住宅環(huán)境中引起越來越大的興趣，LED 的增長將顯著加速。

LED 照明高增長率背后的主要驅(qū)動力是，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，但是也有一些與 LED 照明有關(guān)的挑戰(zhàn)。LED 照明的優(yōu)勢包括工作壽命比白熾燈長數(shù)個量級，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，也是一個主要的成本優(yōu)勢，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED 能即時接通，不像 CFL 那樣需要預(yù)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 LED 使得 LED 應(yīng)用得以迅猛增長，因為這種形式的電源在商用和住宅建筑中很容易得到。盡管 LED 燈更換對最終用戶來說實行起來相對簡單，但是對 LED 驅(qū)動器 IC 的新要求卻大大增加了。因為 LED 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)計方法，而且有一些非常特殊的設(shè)計要求。

視你在世界上不同地方而不同，離線式電源的范圍約為 90VAC 至 265VAC，同時頻率范圍為 50Hz 至 65Hz。因此，要為全球市場生產(chǎn) LED 燈，理想情況是可提供無需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，很多離線式 LED 應(yīng)用要求 LED 與驅(qū)動電路實現(xiàn)電氣隔離。這主要是出于安全考慮，也是幾個監(jiān)管機構(gòu)的要求。電氣隔離一般由隔離反激式 LED 驅(qū)動器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)淅靡粋€變壓器隔離驅(qū)動電路的主端和副端部分。

采用 LED 照明背后的驅(qū)動力是，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)動器 IC 要提供最高效率。因為 LED 驅(qū)動器電路必須將高壓 AC 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，這樣才能不浪費功率。

此外，為了讓 LED 燈可以使用住宅應(yīng)用中常見的、大量安裝的 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)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫O(shè)計，這兩種燈是理想的阻性負(fù)載。然而，LED 驅(qū)動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 輸入電壓處于其正和負(fù)峰值時通常吸收高強度的峰值電流。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，并利用一個 TRIAC 進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

在 LED 照明中，功率因數(shù)校正 (PFC) 是一個重要的性能規(guī)格。簡言之，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 的功率校正因數(shù)。因為白熾燈是一種純電阻性負(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，PFC 尤其重要。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。因為較大型的設(shè)備成本高且浪費能量，所以電力公司通常會向功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費用。LED 應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)仍然在開發(fā)之中，不過大多數(shù)人認(rèn)為，將要求大部分 LED 照明應(yīng)用的 PFC>0.90。

因為 LED 驅(qū)動器電路 (包括很多二極管、變壓器和電容器) 的表現(xiàn)不會與純電阻性負(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， 有源或者無源 PFC 電路都必須設(shè)計到 LED 驅(qū)動器電路中。還應(yīng)該提到的一點是，在運用大量 LED 照明陣列的應(yīng)用中，高 PFC 尤其重要。例如，在使用超過幾百個 50W 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 很重要，最大限度地降低 LED 燈的諧波失真度也很重要。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(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，因為 LED 亮度的變化必須是人眼難以察覺的。類似地，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。在隔離反激式應(yīng)用中調(diào)節(jié) LED 電流并不總是很簡單，而是常常需要一個光耦合器來閉合所需的反饋環(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(fù)雜性和可靠性問題。幸運的是，有些 LED IC 驅(qū)動器設(shè)計采用了新的設(shè)計方法，以確保無需這些額外的組件和 / 或增加設(shè)計復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確調(diào)節(jié) LED 電流。

要很快從白熾燈過渡到 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。消費者習(xí)慣于支付不到 0.50 美元更換一個 60W 的白熾燈，支付大約 3 美元更換一個同樣瓦數(shù)的 CFL 燈。支付超過 30 美元更換一個 LED 燈，是消費者要克服的一大障礙。以這樣的價格計算，在 LED 的壽命期內(nèi)，節(jié)省的電能和更換成本相比，換成 LED 燈確實有經(jīng)濟意義。不過，大多數(shù)消費者不習(xí)慣于這樣聯(lián)系起來看問題。一般而言，倉庫、停車庫等尤其因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會更快地采用 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，將有更多消費者愿意轉(zhuǎn)向 LED 照明。

最后，一個同樣重要的因素是，LED 照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進燈座就可以更換的，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 需要一個散熱器和一個復(fù)雜得多的驅(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、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。

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 LED 而設(shè)計。該器件以關(guān)鍵導(dǎo)通 (邊界) 模式控制一個隔離反激式轉(zhuǎn)換器，適用于需要 4W 至超過 100W 或更高 LED 功率的 LED 應(yīng)用。其新穎的電流檢測電路無需使用光耦合器，就能向副端提供良好調(diào)節(jié)的輸出電流。其獨特的泄能電路使得 LED 驅(qū)動器可與 TRIAC 調(diào)光器相兼容，而無需增設(shè)額外的組件。LED 開路和短路保護確保長期可靠性。

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

IOUT = 0.5 • IPK • N • (1 – D)

IPK 是峰值開關(guān)電流，N 是主端至副端匝數(shù)比，D 是占空比。該 IC 通過一種新穎的反饋控制電路調(diào)節(jié)峰值開關(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)，因為準(zhǔn)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。

圖 1：采用 LT3799 和 TRIAC 可調(diào)光的 20W 離線式 LED 驅(qū)動器

大功率因數(shù)、低諧波

通過使線路電流跟隨施加的正弦波電壓，LT3799 實現(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，就能實現(xiàn)等于 1 的功率因數(shù)。LT3799 用一個從輸入電壓產(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)。一個小帶寬反饋環(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。

圖 2：具有源功率因數(shù)校正的 LT3799 的 VIN 和 IIN 波形

可與 TRIAC 調(diào)光器兼容

當(dāng) TRIAC 調(diào)光器處于斷開狀態(tài)時，它不是徹底斷開的。有相當(dāng)大的泄漏電流通過其內(nèi)部濾波器流到 LED 驅(qū)動器。這個電流給 LED 驅(qū)動器的輸入電容器充電，從而導(dǎo)致 LED 隨機開關(guān)和閃爍。以前的解決方案增加一個泄能電路，該電路包括一個大和昂貴的高壓 MOSFET。LT3799 將變壓器主端繞組和主開關(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(dāng) TRIAC 斷開時，MOSFET 柵極信號為高，且 MOSFET 接通，從而泄放掉漏電電流，并保持輸入電壓為 0V。TRIAC 一接通，MOSFET 就無縫地變回正常的供電器件。

圖 3：MOSFET 柵極信號和 VIN

LED 電流調(diào)節(jié)

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)。見圖 4，可以看到，正如大多數(shù)美國照明應(yīng)用所要求的那樣，當(dāng)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。

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

LED 開路和短路保護

通過變壓器的第三個繞組持續(xù)監(jiān)視 LED 電壓。當(dāng)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(dǎo)電流。一旦過壓或 LED 開路，主開關(guān)就斷開，CT 引腳的電容器開始放電。然后該電路進入打嗝模式。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 引腳和模擬調(diào)光

LT3799 的輸出可以通過多個 CTRL 引腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個加到任意 CTRL 引腳的 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 引腳輕松地實現(xiàn)。

緊湊和具成本效益的解決方案

LT3799 運用具整個 LED 驅(qū)動電路 (包括 EMI 濾波器) 的單級設(shè)計，僅需要 40 個外部組件，可保持解決方案簡單、占板面積緊湊和具成本效益。圖 1 中 20W 電路的總尺寸僅為 30mm x 75mm，厚度僅為 30mm，從而非常適用于多種 LED 應(yīng)用。通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(yīng)用或幾乎任何常見的 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 不斷促進對高性能和具成本效益的 LED 驅(qū)動器 IC 解決方案的需求。這類 LED 驅(qū)動器必須提供電氣隔離、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，同時它們必須提供各種保護功能以提高系統(tǒng)的可靠性。向 LED 照明過渡的經(jīng)濟性也要求LED 驅(qū)動器電路必須非常具成本效益。幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類 LED 驅(qū)動器了。