中心議題：
- LED照明設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
- 脫機(jī)式LED照明設(shè)計(jì)案例分析
因應(yīng)脫機(jī)式LED在一般照明的應(yīng)用需求，LED驅(qū)動(dòng)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(shí)，不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，LED驅(qū)動(dòng)器都必須提供保護(hù)功能，以確保系統(tǒng)可靠性。本文介紹脫機(jī)式LED照明的設(shè)計(jì)案例。
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(zhǎng)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(shì)，包括工作壽命比白熾燈長(zhǎng)，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L(zhǎng)ED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能實(shí)時(shí)導(dǎo)通，不像節(jié)能熒光燈(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(shí)現(xiàn)新的、非常扁平的外形尺寸，這是其他技術(shù)所無(wú)法做到的。
1、LED照明設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
使用脫機(jī)式電源驅(qū)動(dòng)LED，可讓LED應(yīng)用得以迅速成長(zhǎng)，因?yàn)檫@種形式的電源在商用和住宅建筑中相當(dāng)容易取得。盡管LED燈更換對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)實(shí)行起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)的設(shè)計(jì)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L(zhǎng)ED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。
1.1 多種輸入電壓和供電頻率
依據(jù)在世界上不同地方的差異，脫機(jī)式電源的范圍約為90～265伏交流電(VAC)，同時(shí)頻率范圍為50～65Hz。因此，要為全球市場(chǎng)生產(chǎn)LED燈，理想情況是可提供無(wú)須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。
1.2 電氣隔離
此外，很多脫機(jī)式LED應(yīng)用，要求其與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)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(dòng)器架構(gòu)提供，該架構(gòu)利用一個(gè)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的一次側(cè)和二次側(cè)部分。
1.3 高效率
采用LED照明背后的驅(qū)動(dòng)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(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)器電路必須將高壓交流電源轉(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，如此才不會(huì)浪費(fèi)功率。
1.4 可利用TRIAC調(diào)光器調(diào)光
此外，為了讓LED燈可以使用住宅應(yīng)用中常見的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)光器系專門為白熾燈和鹵素?zé)舳O(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的電阻性負(fù)載。然而，LED驅(qū)動(dòng)器電路一般是非線性的，而且不是純電阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在交流電輸入電壓處于其正和負(fù)峰值時(shí)，通常汲取高強(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)純電阻性負(fù)載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確啟動(dòng)，并利用一個(gè)TRIAC進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。
1.5 功率因數(shù)校正
在LED照明中，功率因子校正(PFC)是一個(gè)重要的性能規(guī)格。簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)等于1的功率校正因子。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)更為重要，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，功率因子低的負(fù)載比功率因子高的負(fù)載汲取更大的電流。需要更大的電流會(huì)提高配電系統(tǒng)中損失的能量，而這又導(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^大型不僅設(shè)備成本高且浪費(fèi)能量，所以電力公司通常會(huì)向功率因子較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費(fèi)用。目前LED應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍然在開發(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)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提高到大于 0.9，主動(dòng)或者被動(dòng)PFC電路都必須設(shè)計(jì)到LED驅(qū)動(dòng)器電路中。必須注意的是，在運(yùn)用大量LED照明數(shù)組的應(yīng)用中，高PFC尤其重要。例如，在使用超過(guò)幾百個(gè)50瓦(W)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。
1.6 低諧波失真
除了高PFC之外，將LED燈的諧波失真度降至最低也很重要。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。
1.7 準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流
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亮度的變化必須是肉眼難以察覺(jué)的。相同地，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。在隔離反馳式應(yīng)用中調(diào)節(jié)LED電流并不是很容易，常常還需要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的回授環(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。所幸，有些LED驅(qū)動(dòng)器IC采用新的設(shè)計(jì)方法，以確保無(wú)需這些額外的組件或增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流。
1.8 LED解決方案的成本和尺寸
要快速地從白熾燈過(guò)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(cāng)庫(kù)、停車庫(kù)等設(shè)施，因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會(huì)更快采用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，預(yù)期將有更多消費(fèi)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(jìn)燈座就可以更換，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)散熱片和一個(gè)極復(fù)雜的驅(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、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。
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2、高整合驅(qū)動(dòng)器滿足脫機(jī)式照明要求
為了滿足脫機(jī)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(dòng)器采用很多外部分立式組件，結(jié)果形成了既龐大又復(fù)雜的解決方案。而最新的驅(qū)動(dòng)器LT3799則整合了脫機(jī)式LED照明需要的所有功能，解決了相關(guān)復(fù)雜性、空間和效能問(wèn)題。LT3799是一款具主動(dòng)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(dòng)LED而設(shè)計(jì)。該組件以關(guān)鍵導(dǎo)通(邊界)模式控制一個(gè)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(yīng)用。其新穎的電流檢測(cè)電路無(wú)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(dú)特的泄能(Bleeder)電路使得LED驅(qū)動(dòng)器可與TRIAC調(diào)光器兼容，而無(wú)須增設(shè)額外的組件。LED開路和短路保護(hù)則可確保長(zhǎng)期可靠性。
圖1顯示一個(gè)完整的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，其效率高達(dá)86%。從一次側(cè)開關(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(guò)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(cè)方法不同，這種新型電路提供較好的輸出電流調(diào)節(jié)，因?yàn)闇?zhǔn)確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開關(guān)RDS(ON)、輸出二極管正向壓降和LED電纜壓降的影響。
3、高功率因子/低諧波防止電流失真
透過(guò)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(dòng)電路實(shí)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(shí)現(xiàn)等于1的功率因子。其用一個(gè)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(gè)小帶寬回饋環(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。
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4、可與TRIAC調(diào)光器相容
當(dāng)TRIAC調(diào)光器處于斷開狀態(tài)時(shí)，其實(shí)不是徹底斷開的。有相當(dāng)大的漏電流通過(guò)其內(nèi)部濾波器流至LED驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)電流為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的輸入電容器充電，進(jìn)而導(dǎo)致LED隨機(jī)開關(guān)和閃爍。過(guò)往的解決方案是增加一個(gè)泄能電路，該電路包括一個(gè)大且昂貴的高壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(wú)需這類MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示，當(dāng)TRIAC斷開時(shí)，MOSFET閘極訊號(hào)為高，且MOSFET接通，進(jìn)而泄放掉漏電電流，并保持輸入電壓為 0伏特(V)。TRIAC一導(dǎo)通，MOSFET就無(wú)縫地變回正常的供電組件。
5、獨(dú)特LED電流調(diào)節(jié)降低成本提高可靠性
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)。從圖4可見，正如大多數(shù)美國(guó)照明應(yīng)用所要求，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。
6、LED開路/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)主開關(guān)斷開時(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(jìn)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(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接腳控制電壓實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光LT3799的輸出可以通過(guò)多個(gè)CTRL接腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個(gè)加到任意CTRL接腳的直流電(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接腳輕松地實(shí)現(xiàn)。
創(chuàng)造更精小并具成本效益解決方案LT3799運(yùn)用具整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路(包括電磁干擾濾波器)的單級(jí)設(shè)計(jì)，僅需要四十個(gè)外部組件，讓解決方案簡(jiǎn)單、配置面積精小和具成本效益等優(yōu)勢(shì)。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(yīng)用。透過(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)用或幾乎任何常見的AC輸入而優(yōu)化。
為因應(yīng)通用照明應(yīng)用的脫機(jī)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解決方案需求。這類LED驅(qū)動(dòng)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(hù)功能以提高系統(tǒng)可靠性。向LED照明過(guò)渡的經(jīng)濟(jì)性也要求LED驅(qū)動(dòng)器電路須非常具成本效益，慶幸的是，這類LED驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)問(wèn)世。
