脫機(jī)式驅(qū)動瓶頸突破 家用LED照明系統(tǒng)可靠性大增

為滿足家用LED照明應(yīng)用市場日益嚴(yán)苛的產(chǎn)品要求，新一代脫機(jī)式LED驅(qū)動器具備電氣隔離、高效率、功率因子校正和Triac調(diào)光等功能，并提供良好調(diào)節(jié)的電流，以保持一致亮度，同時(shí)各種保護(hù)功能，也提高系統(tǒng)可靠性。

在過去幾年中，顯示器背光照明應(yīng)用一直是驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)市場成長的主要因素。不過現(xiàn)今LED通用照明在商用和住宅市場的吸引力越來越大，也進(jìn)一步加速了LED市場的成長。根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)LEDinside的研究報(bào)告指出，2010年商用高流明LED照明系統(tǒng)出現(xiàn)快速成長。這是由于就大多數(shù)消費(fèi)者而言，家用LED照明仍然太過昂貴。反觀，對于停車場、辦公室、工廠、倉庫等商用領(lǐng)域，LED照明卻能帶來節(jié)能和環(huán)保等長期益處，加上相關(guān)的減稅政策，因此這些應(yīng)用領(lǐng)域的LED照明使用量將出現(xiàn)大幅成長。

家用LED照明市場將加速成長

LED燈不僅可以取代高壓鈉燈、鹵素?zé)艉桶谉霟?，而且在某些領(lǐng)域還能取代節(jié)能熒光燈(CFL)和熒光燈。LED商用照明將迅速成長并得到廣泛采用，而2012年則是家用LED照明關(guān)鍵的一年。

在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的25～40%，因此商業(yè)應(yīng)用開始改用LED照明，其實(shí)并不令人感到意外。由于此類應(yīng)用需要高強(qiáng)度、長時(shí)間照明，所以節(jié)省電能導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)回報(bào)亦相對短期。另外，LED附屬裝置壽命很長，因此大幅降低LED燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈具本身的成本，還包括動手更換的勞動成本，而通常在某些應(yīng)用中，例如高階燈照明應(yīng)用的拆裝，這些需要專業(yè)級的勞動成本則都是很高。

整體而言，從大多數(shù)消費(fèi)者的角度著眼的話，通用的家用LED照明仍然太過昂貴，不過，未來隨著LED附屬裝置價(jià)格下降和LED更加廣泛供貨，照明市場在住宅領(lǐng)域也將出現(xiàn)大幅成長。大多數(shù)分析師都預(yù)期，住宅市場于2012年以后將加速成長。

LED驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)考慮多方多面

正如前面所提，LED照明市場高成長率背后的主要驅(qū)動因素是其能大幅降低功耗。若與白熾燈照明相比，提供同樣的光輸出量(以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的20%。如表1所示，LED照明還有更多優(yōu)勢，但也有更多挑戰(zhàn)。LED的優(yōu)勢包括壽命比白熾燈更長，這大大降低了更換成本；尤其是在住宅照明市場，能利用以前安裝的雙向硅控整流器(Triac)調(diào)光器給LED調(diào)光也是一個(gè)主要的優(yōu)勢。LED燈可實(shí)時(shí)接通，毋需像CFL的預(yù)熱時(shí)間，而且LED燈對電源周期不敏感，這一點(diǎn)也與CFL燈不同。此外，LED照明的附屬裝置不含任何需要控制或處理的有毒材料，而CFL采用有毒水銀蒸氣工作。最后，LED可實(shí)現(xiàn)新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術(shù)則不可能做到。

此類新型LED照明應(yīng)用所涉及的范圍非常之廣，從4瓦(W)的旋入式可替換型白熾燈泡到100W的街燈、再到需要幾百瓦功率的高棚燈等。大多數(shù)這些LED燈須要依靠現(xiàn)有的交流電(AC)脫機(jī)式電源(視終端應(yīng)用所處地理位置的不同，通常為90～265交流電壓(VAC)來工作。為獲得從AC脫機(jī)式電源來高效驅(qū)動LED的能力，因而產(chǎn)生一些相當(dāng)獨(dú)特的LED驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)難題。

LED驅(qū)動器不僅必須提供最高效率以確保節(jié)省功率，而且出于安全考慮，還須提供電氣隔離。此外，LED驅(qū)動器也得提供功率因子校正(PFC)和低諧波失真性能，以適用于多種應(yīng)用。不僅如此，在很多住宅應(yīng)用中，LED驅(qū)動器還必須提供用現(xiàn)有Triac調(diào)光器調(diào)光的能力。最后，解決方案須具備成本效益，且總體面積要精小，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，以吸引商用和住宅用戶用LED燈更換現(xiàn)有照明燈。總而言之，必須要有能夠滿足這些要求的LED驅(qū)動器IC可用，這對LED照明應(yīng)用普及化至關(guān)重要。
LED功率節(jié)省仍有精進(jìn)空間

LED照明市場迅速成長背后的主要驅(qū)動力之一是與白熾燈甚至CFL照明相比，LED燈可節(jié)省較多的功率。因此，研究一下用現(xiàn)有LED能節(jié)省的功率以及未來幾年內(nèi)，其功率將如何進(jìn)一步節(jié)省。

目前60W白熾燈可提供約800流明，可轉(zhuǎn)換為13.3流明/瓦(lm/W)。而現(xiàn)有LED就商用產(chǎn)品而言，效率在50～170lm/W之間。未來的LED則將提供范圍為200～230lm/W的效率。然而，最大的理論效率約為250lm/W。

就照明用途而言，可考慮100lm/W的LED。LED本身所需要的電功率為8W。不過，交流對直流(AC-DC)LED驅(qū)動電子線路的效率也必須考慮在內(nèi)，就高性能LED驅(qū)動器而言，此效率為85%。因此，脫機(jī)式電源所需的總功率為8W/0.85=9.4W，從而與白熾燈相比，功率節(jié)省了84%。如果用65lm/W這個(gè)更加保守的數(shù)字，那么相對于白熾燈耗用的功率而言，LED功率可降低75%。展望未來，當(dāng)提供200lm/W的LED可用時(shí)，功率將節(jié)省多達(dá)92%。為滿足目前能源之星的要求，相對于標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，LED燈的功率須至少降低75%，才能取代白熾燈。

脫機(jī)式供電設(shè)計(jì)難度高

能用脫機(jī)式電源驅(qū)動LED就可使應(yīng)用越來越快地增加，因?yàn)樵谏逃媒ㄖ妥≌?，可以非常便利且輕易得到這種形式的電源。盡管LED燈的附屬裝置相對簡單，最終用戶非常容易安裝，但是對LED驅(qū)動器IC的要求卻也大幅提高了。因?yàn)長ED須要一個(gè)良好調(diào)節(jié)的定電流源，以提供恒定的光輸出，所以用AC輸入源給LED供電需要一些特殊的設(shè)計(jì)方法，并要滿足一些特別的設(shè)計(jì)需求。

例如，在世界上不同地區(qū)，脫機(jī)式電源參數(shù)可能不同，一般在90～265VAC之間，頻率則為50～65Hz。因此要制造通用全球市場的LED附屬裝置，最好擁有這樣一個(gè)無須修改就能使LED用在全球任何地方的電路設(shè)計(jì)，想達(dá)到這樣的目標(biāo)，就需要單一LED驅(qū)動器IC能處理多種輸入電壓和頻率的功能。

除此之外，還有很多脫機(jī)式LED應(yīng)用需要LED與驅(qū)動電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，這主要是出于安全上的考慮，同時(shí)亦是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)所嚴(yán)格要求的。電氣隔離一般由隔離型反馳式LED驅(qū)動器架構(gòu)，該架構(gòu)運(yùn)用變壓器隔離驅(qū)動電路的主端和副端。

采用LED照明的動力來自于提供特定光輸出量所需的功率可大幅降低，因此當(dāng)務(wù)之急是LED驅(qū)動器IC要提供最高效率。因?yàn)長ED驅(qū)動器電路必須將高壓AC電源轉(zhuǎn)換為更低的電壓和良好調(diào)節(jié)的LED電流，所以LED驅(qū)動器IC必須設(shè)計(jì)為可提供高于80%的效率，以不浪費(fèi)功率。

而且為了配合在住宅應(yīng)用中常見的Triac調(diào)光器已大量安裝到位的情況下，使LED普及應(yīng)用成為可能，LED驅(qū)動器IC必須與這些調(diào)光器一起高效運(yùn)作。Triac調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎门浜瞎ぷ鞫O(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的電阻性負(fù)載。然而，LED驅(qū)動器電路一般是非線性的，而且不是電純阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在AC輸入電壓處于其正峰值和負(fù)峰值時(shí)，通常須吸收高強(qiáng)度的峰值電流。因此，LED驅(qū)動器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，并利用一個(gè)Triac進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

就LED照明而言，PFC是一個(gè)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，那么功率校正因子為1。因?yàn)榘谉霟羰且环N理想的電阻性負(fù)載，所以輸入電流和電壓同相，且PFC為1。PFC特別重要，因?yàn)樗c本地電力供貨商所須提供的電功率有關(guān)。

換言之，在一個(gè)電力系統(tǒng)中，與一個(gè)具有高功率因子的負(fù)載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下，一個(gè)具有低功率因子的負(fù)載可吸取更大的電流。因?yàn)樗桦娏鬏^高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，因此需要更粗的導(dǎo)線和其他傳輸設(shè)備。然而，較大的設(shè)備和能源浪費(fèi)增加了成本，所以電力公司通常對功率因子較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費(fèi)用。LED應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)仍然處于開發(fā)中，不過大多數(shù)人相信，就LED照明應(yīng)用而言，將要求PFC>0.90。

LED驅(qū)動器電路(包括大量二極管、變壓器和電容器)的表現(xiàn)不像一個(gè)純電阻性負(fù)載，其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到0.9以上，主動或被動PFC電路都必須設(shè)計(jì)到LED驅(qū)動器電路內(nèi)。此外，在采用數(shù)百個(gè)以上50瓦LED燈的應(yīng)用中，高PFC尤其重要，在這種情況下，高PFC(>0.95)LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)是有益的。

另一方面，高PFC還有一點(diǎn)也很重要，即是最大限度降低LED附屬裝置的諧波失真。國際電工委員會(IEC)已制定了C類照明設(shè)備諧波性能規(guī)范IEC 61000-3-2，以確保新的LED照明附屬裝置滿足低失真要求。

滿足成本及尺寸要求　精簡LED驅(qū)動電路勢在必行

在照明應(yīng)用中，能在較寬的線電壓、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亮度的變化必須是人眼難以察覺的。同樣的，為確保LED有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅(qū)動LED相當(dāng)重要。在隔離型反馳式應(yīng)用中，LED電流的調(diào)節(jié)并不是直接進(jìn)行，常常須要一個(gè)光耦合器來閉合所需的回饋回路，或者可能增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換級。然而，這兩種方法都帶來復(fù)雜性和可靠性等問題。幸運(yùn)的是，有些LED驅(qū)動器IC的設(shè)計(jì)采用新的設(shè)計(jì)方法，無需這些額外的組件或不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流。

然而，要從白熾燈迅速向LED燈轉(zhuǎn)變，最大的障礙是在于LED解決方案的成本和尺寸。雖然若考慮到在LED的壽命期內(nèi)電力成本和更換成本的降低，以這樣的價(jià)格換一個(gè)LED燈確實(shí)有經(jīng)濟(jì)意義，但若要消費(fèi)者花近1,000美元換一個(gè)LED燈，依然是很大的障礙。因此，目前仍以倉庫、車庫等支付大量照明電費(fèi)的商業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)向LED照明的速度較快，而此費(fèi)用的節(jié)省亦更加明顯。隨著LED燈購買費(fèi)用的下降，未來將有更多的消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向LED照明。

另一方面，同樣重要的一個(gè)因素是LED照明解決方案的尺寸。很多LED燈都是直接旋入燈座的，因此整個(gè)解決方案必須與原來使用的白熾燈有相同的形狀和體積。由于LED需要散熱器和許多復(fù)雜的驅(qū)動器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣?xùn)|西將可能是種挑戰(zhàn)。因此，消費(fèi)者需要的是一個(gè)簡單，且接腳面積精簡的解決方案中，可提供所有功能的LED驅(qū)動器IC。

維持電流穩(wěn)定　隔離型反馳式LED控制器顯身手

為解決這些脫機(jī)式LED的所有驅(qū)動難題，凌力爾特(Linear Technology)推出一款隔離型反馳式LED控制器LT3799，具主動PFC，專門為在90～265VAC的通用輸入范圍內(nèi)驅(qū)動LED而設(shè)計(jì)。LT3799以關(guān)鍵傳導(dǎo)模式工作，最大限度縮減外部變壓器的尺寸，非常適用于驅(qū)動功率從4瓦至數(shù)百瓦的多種LED應(yīng)用。驅(qū)動高達(dá)20瓦的LED的整個(gè)電路如圖1所示。這個(gè)特定電路可用Triac調(diào)光，且在90～265VAC的通用輸入范圍內(nèi)，能提供高達(dá)1安培(A)的LED電流，同時(shí)提供超過86%的效率(圖2)。稍微改變一下外部組件，這個(gè)電路就可進(jìn)一步優(yōu)化，以在120、240、377VAC或幾乎任何常見的AC輸入情況下使用。

圖1 隔離型反馳式LED控制器電路范例

圖2 LT3799在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率

LT3799運(yùn)用單級設(shè)計(jì)，使整個(gè)LED驅(qū)動電路(包括EMI濾波器)僅需要四十個(gè)外部組件，從而使該解決方案簡單、接腳面積精簡且具成本效益。圖1中的20W電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米，高度僅為30毫米，從而成為種類繁多的LED應(yīng)用的理想選擇。此外，其獨(dú)特的內(nèi)部電路提供高達(dá)0.98的主動PFC，容易滿足美國能源部(Department of Energy, DOE)的要求，同時(shí)還符合IEC 61000-3-2C類照明設(shè)備諧波要求(圖3)。

圖3 具主動PFC的LT3799VIN和IIN波形

在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)，LT3799還提供LED電流調(diào)節(jié)。在圖4中可看到當(dāng)輸入從90VAC變到150VAC時(shí)，LED電流保持了±5%的穩(wěn)定度。該組件用一個(gè)獨(dú)特的電流檢測電路取代光耦合器，以向二次側(cè)提供良好調(diào)節(jié)的電流。不僅降低成本，也改進(jìn)了可靠性。不僅如此，該組件還能與標(biāo)準(zhǔn)壁式Triac調(diào)光器一起使用，而不會產(chǎn)生任何可見閃爍。整合式的LED開路和短路保護(hù)確保多種LED應(yīng)用具有長期可靠性。最后，其散熱強(qiáng)化型MSOP-16封裝有助于形成非常精小的LED驅(qū)動器解決方案。

圖4 隨VIN(AC)變化LT3799對LED電流的調(diào)節(jié)

由脫機(jī)式電源供電所帶起的通用LED照明應(yīng)用市場，已開始出現(xiàn)空前的成長，其背后的驅(qū)動力，是市場對更高性能和具成本效益的照明應(yīng)用需求。然而，這些新興的性能要求必須使用新的LED驅(qū)動器IC才能滿足。而這些LED驅(qū)動器必須提供電氣隔離、高效率、PFC和Triac調(diào)光能力。此外，不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，這些驅(qū)動器還必須提供良好調(diào)節(jié)的LED電流，以保持一致的亮度，同時(shí)提供各種保護(hù)功能，以提高系統(tǒng)可靠性。而這些LED驅(qū)動器電路也必須能構(gòu)成非常精小和具成本效益的解決方案，幸運(yùn)的是，目前已有廠商可供應(yīng)這類脫機(jī)式LED驅(qū)動器了。