面向 LED 照明的低壓交流應(yīng)用

低壓交流照明系統(tǒng)
在過去的30年中，低壓交流照明設(shè)備已日趨普及。如今，從室內(nèi)局部照明到一般性的活動(dòng)式投射燈照明，再到如花園和景觀等戶外應(yīng)用照明中，此類照明系統(tǒng)隨處可見。像宜家家居和美國家得寶這樣的家居零售賣場和住宅美化商場極大推進(jìn)了該技術(shù)在消費(fèi)人群中的使用。這類低壓照明系統(tǒng)采用特殊低壓編碼規(guī)則，終端用戶可自行安裝而無需外部承包商。因此，這些系統(tǒng)相對便宜且易于安裝。

低壓交流照明尤其適用于LED照明應(yīng)用——在光效方面，最新的300W LED的光效等同于3～4個(gè)街燈所輸出的光能！這為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中提供了極大的靈活度——可以進(jìn)行相對較大的整體性單元設(shè)計(jì)，或者在單電源上設(shè)計(jì)多個(gè)小型燈具，或者兩者的組合。可以確定的是，相對于傳統(tǒng)白熾燈，基于LED的設(shè)計(jì)的靈活性得到了大幅提升。

設(shè)想一下在一個(gè)低壓交流系統(tǒng)上應(yīng)用三類不同的照明設(shè)備：一個(gè)大的/高輸出設(shè)計(jì)在每系統(tǒng)中僅能支持一個(gè)或兩個(gè)照明設(shè)備，一個(gè)中等輸出設(shè)計(jì)將在一個(gè)系統(tǒng)中支持多個(gè)（10～20個(gè)）較小的燈具，而一個(gè)輸出較小的設(shè)計(jì)則需要在一個(gè)單系統(tǒng)上支持大量（50～100個(gè)或更多）的燈具。

大型陣列設(shè)計(jì)
光譜終端最能體現(xiàn)出使用LED進(jìn)行設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢。對于越大型的單個(gè)照明設(shè)備，越有可能采用大陣列來實(shí)現(xiàn)更高的光輸出應(yīng)用。100W的LED燈通常會(huì)面向街燈照明應(yīng)用（采用高壓解決方案）。但我們并不建議您將低壓交流系統(tǒng)用于街燈照明（因?yàn)樗枰徽兹碌囊?guī)則和標(biāo)準(zhǔn)），但設(shè)計(jì)者有可能在一個(gè)低壓交流設(shè)計(jì)預(yù)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)同樣的照明效果。讓我們以一個(gè)3.5V正向電壓和350mA電流的標(biāo)準(zhǔn)LED為例展開討論。藉此，能粗略地估算出每個(gè)LED功率為1.2W，需要大概總計(jì)80個(gè)LED燈。

為了達(dá)到預(yù)期的輸出效果，會(huì)有人試圖采用一個(gè)單驅(qū)動(dòng)器及多個(gè)串/并聯(lián)的LED燈的組合。我們通常會(huì)對此感到沮喪，因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)則只允許我們對每個(gè)LED燈串進(jìn)行單獨(dú)的控制。其原因如下：首先，LED和溫度間存在著正反饋的關(guān)系——溫度升高，則正向電壓下降，從而引起更多的電流流動(dòng)（如果不嚴(yán)密控制），這會(huì)令LED發(fā)熱量增大。采用該方式，不同的LED燈串共用同一電流源將迅速失配。如果不分別控制每個(gè)燈串上的電流，那么系統(tǒng)將很快出現(xiàn)故障。

以24VAC系統(tǒng)為例——24VAC系統(tǒng)是最常見的單個(gè)大型設(shè)備系統(tǒng)（稍后將分析原因）。我們討論的驅(qū)動(dòng)器均是DC/DC轉(zhuǎn)換器——所以要對主電源提供的交流信號(hào)進(jìn)行整流?；诖耍D(zhuǎn)換器的輸入條件為：

24VRMS=67.88VPP，通過整流得到的用去驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的最大輸入電壓為34V。

了解準(zhǔn)確的供電情況后，在設(shè)計(jì)階段，腦海中就已經(jīng)有了一個(gè)特定的LED。正如我們在這里討論的所有設(shè)計(jì)一樣，在WEBENCH LED Designer在線工具中簡單鍵入輸入電壓、LED型號(hào)/值和想要的LED輸出配置即可。查看搜索工作會(huì)發(fā)現(xiàn)，似乎在該輸入范圍內(nèi)，任何參數(shù)都可以滿足設(shè)計(jì)需求，但受制于占空比，事實(shí)上無法支持如此多的LED串。在這種情況下，只有LM3401 和 LM3409兩款LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品可以滿足上述條件。我們把LED的數(shù)量減少一個(gè)，變?yōu)?個(gè)，由此實(shí)現(xiàn)了更多選擇。

但更有趣的是，當(dāng)LED串由電壓支持，且LED串中LED的數(shù)目增多時(shí)，大多數(shù)低壓交流應(yīng)用系統(tǒng)中的首選的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為降壓轉(zhuǎn)換器——其驅(qū)動(dòng)LED的輸出電壓遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。這是適用于由少量LED組成的LED串的設(shè)計(jì)思路。

一般來說，最節(jié)省成本的方式是用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)盡可能多的LED。由于我們不提倡使用單驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)燈串，這樣就會(huì)令串聯(lián)的燈串盡可能的長。串聯(lián)燈串的優(yōu)勢是可以精確地確保此燈串上流過所有LED燈的電流相同，并可提供所需的照明調(diào)節(jié)和保護(hù)。很顯然，更大的輸入電壓可以更輕松地驅(qū)動(dòng)更多的LED。但是，由于我們經(jīng)常會(huì)在整流過程中令交流電壓值減半，這極大削弱了其優(yōu)勢。令輸出電壓大于輸入電壓的升壓解決方案即充分利用該點(diǎn)，并通過調(diào)節(jié)所需的輸出電壓來驅(qū)動(dòng)由更多的LED組成的大LED串。

如果燈串內(nèi)的LED在20個(gè)以下（Vf=3.5V，LED驅(qū)動(dòng)電流為350mA的條件下）即在低壓限制的范圍內(nèi)（70VDC——在84.85VPP低壓限制內(nèi)）保持升壓輸出。使用LM342X可以輕松實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，并能提供大量保護(hù)機(jī)制，如超壓、欠壓和電流限制特性，以及需要的熱折返特性。

更好地理解器件特性將發(fā)揮重要作用。要想到，是否希望支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光？模擬調(diào)光？或是否希望結(jié)合某種光學(xué)或熱反饋來改變我的光輸出情況？這些問題都有助于進(jìn)行不同選擇。LM3421/23具有使能引腳和眾多的附加故障檢測報(bào)警功能，這讓其成為需要高保護(hù)水平和需求對微控制器提供反饋信息的應(yīng)用系統(tǒng)的理想選擇。LM3424內(nèi)置熱折返性能使其適用于光學(xué)和熱反饋（降低與LED溫度相關(guān)的輸出電流）應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1所示為20個(gè)LED燈的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)LED燈基于3.5V的正向電壓和350mA的電流。此外，可以修改電路可以用于模擬調(diào)光——光輸出會(huì)隨著輸入等級(jí)的降低而減少——這允許使用一種非常簡單，但受到充分保護(hù)的大串驅(qū)動(dòng)器。如果想要更高的彩色精確度，則可以使用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光。

圖1 升壓配置的LM3429可驅(qū)動(dòng)20個(gè)LED