實(shí)例解析脫機(jī)式LED照明設(shè)計(jì)

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。

　　當(dāng)人們?cè)絹碓疥P(guān)注傳統(tǒng)照明方法對(duì)于環(huán)境的影響時(shí)，發(fā)光二極管(LED)的價(jià)格也不斷地持續(xù)下降，因此，就許多脫機(jī)式應(yīng)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(duì)環(huán)境有利，這些特點(diǎn)不斷促使種類繁多的固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用的發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Strategies Unlimited報(bào)告顯示，到2010年底，高亮度LED的市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到82億美元，預(yù)計(jì)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?jiǎng)恿?。不過，隨著LED一般照明應(yīng)用在商用和住宅環(huán)境逐漸盛行，LED的成長將會(huì)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(shì)，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(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)所無法做到的。

　　LED照明設(shè)計(jì)要求甚嚴(yán)　驅(qū)動(dòng)電源成關(guān)鍵

　　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，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)終端用戶來說實(shí)行起來相對(duì)簡單，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。

　　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(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。

　　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。

　　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必須通過設(shè)計(jì)來「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。

　　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，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?yàn)長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，在使用超過幾百個(gè)50瓦(W)LED燈的停車庫中，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(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ED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(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，這兩種方法都增加了復(fù)雜性和可靠性問題。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。

　　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(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(jī)式照明要求　高整合驅(qū)動(dòng)器出爐

　　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(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，而無須增設(shè)額外的組件。LED開路和短路保護(hù)則可確保長期可靠性。

　　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?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。

圖1 采用LT3799和TRIAC可調(diào)光的20瓦脫機(jī)式LED驅(qū)動(dòng)器