新一代離線式 LED 燈對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 有更多要求

背景
人們?cè)絹碓疥P(guān)注使用傳統(tǒng)照明方法對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí) LED 價(jià)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(zhǎng)壽命并對(duì)環(huán)境有利，這些特點(diǎn)不斷促進(jìn)種類繁多的固態(tài)照明 (SSL) 應(yīng)用的發(fā)展。因此，LED 的增長(zhǎng)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(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 82 億美元，預(yù)計(jì)到 2015 年將增長(zhǎng)到超過 200 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。過去幾年，用作高清電視機(jī) (HDTV) 顯示器背光照明的 LED 一直是 LED 市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)將顯著加速。

LED 照明高增長(zhǎng)率背后的主要驅(qū)動(dòng)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(shì)，但是也有一些與 LED 照明有關(guān)的挑戰(zhàn)。LED 照明的優(yōu)勢(shì)包括工作壽命比白熾燈長(zhǎng)數(shù)個(gè)量級(jí)，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(gè)主要的成本優(yōu)勢(shì)，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED 能即時(shí)接通，不像 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(shí)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(dòng) LED 使得 LED 應(yīng)用得以迅猛增長(zhǎng)，因?yàn)檫@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(duì)最終用戶來說實(shí)行起來相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的新要求卻大大增加了。因?yàn)?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(jì)方法，而且有一些非常特殊的設(shè)計(jì)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(shí)頻率范圍為 50Hz 至 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)需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，很多離線式 LED 應(yīng)用要求 LED 與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這主要是出于安全考慮，也是幾個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。電氣隔離一般由隔離反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)淅靡粋€(gè)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端和副端部分。

采用 LED 照明背后的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 IC 要提供最高效率。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器電路必須將高壓 AC 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，這樣才能不浪費(fèi)功率。

此外，為了讓 LED 燈可以使用住宅應(yīng)用中常見的、大量安裝的 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)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫O(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的阻性負(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(shí)通常吸收高強(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(dòng)，并利用一個(gè) TRIAC 進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

在 LED 照明中，功率因數(shù)校正 (PFC) 是一個(gè)重要的性能規(guī)格。簡(jiǎn)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 的功率校正因數(shù)。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)，PFC 尤其重要。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(huì)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?yàn)檩^大型的設(shè)備成本高且浪費(fèi)能量，所以電力公司通常會(huì)向功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費(fèi)用。LED 應(yīng)用的國(guó)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)?LED 驅(qū)動(dòng)器電路 (包括很多二極管、變壓器和電容器) 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 提高到高于 0.9， 有源或者無(wú)源 PFC 電路都必須設(shè)計(jì)到 LED 驅(qū)動(dòng)器電路中。還應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，在運(yùn)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(gè) 50W 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。

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(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。

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)?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(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。在隔離反激式應(yīng)用中調(diào)節(jié) LED 電流并不總是很簡(jiǎn)單，而是常常需要一個(gè)光耦合器來閉合所需的反饋環(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。幸運(yùn)的是，有些 LED IC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法，以確保無(wú)需這些額外的組件和 / 或增加設(shè)計(jì)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(fèi)者習(xí)慣于支付不到 0.50 美元更換一個(gè) 60W 的白熾燈，支付大約 3 美元更換一個(gè)同樣瓦數(shù)的 CFL 燈。支付超過 30 美元更換一個(gè) LED 燈，是消費(fèi)者要克服的一大障礙。以這樣的價(jià)格計(jì)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(shí)有經(jīng)濟(jì)意義。不過，大多數(shù)消費(fèi)者不習(xí)慣于這樣聯(lián)系起來看問題。一般而言，倉(cāng)庫(kù)、停車庫(kù)等尤其因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會(huì)更快地采用 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，將有更多消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向 LED 照明。

最后，一個(gè)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(jìn)燈座就可以更換的，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)散熱器和一個(gè)復(fù)雜得多的驅(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、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(dòng)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(dòng) LED 而設(shè)計(jì)。該器件以關(guān)鍵導(dǎo)通 (邊界) 模式控制一個(gè)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(cè)電路無(wú)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(dú)特的泄能電路使得 LED 驅(qū)動(dòng)器可與 TRIAC 調(diào)光器相兼容，而無(wú)需增設(shè)額外的組件。LED 開路和短路保護(hù)確保長(zhǎng)期可靠性。

圖 1 顯示了一個(gè)完整的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案，其效率高達(dá) 86%。LT3799 從主端開關(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激式轉(zhuǎn)換器而言，輸出電流方程式為：

I_OUT = 0.5 • I_PK • N • (1 – D)

I_PK 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(cè)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?yàn)闇?zhǔn)確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開關(guān) R_DS(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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)等于 1 的功率因數(shù)。LT3799 用一個(gè)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(gè)小帶寬反饋環(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。

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(shí)，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(dòng)器。這個(gè)電流給 LED 驅(qū)動(dòng)器的輸入電容器充電，從而導(dǎo)致 LED 隨機(jī)開關(guān)和閃爍。以前的解決方案增加一個(gè)泄能電路，該電路包括一個(gè)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(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 柵極信號(hào)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(wú)縫地變回正常的供電器件。

圖 3：MOSFET 柵極信號(hào)和 VIN

LED 電流調(diào)節(jié)
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)。見圖 4，可以看到，正如大多數(shù)美國(guó)照明應(yīng)用所要求的那樣，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(hù)
通過變壓器的第三個(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(jìn)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(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 引腳和模擬調(diào)光
LT3799 的輸出可以通過多個(gè) CTRL 引腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個(gè)加到任意 CTRL 引腳的 DC 控制電壓，以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。過熱保護(hù)和線路過壓保護(hù)功能也可以利用這些 CTRL 引腳輕松地實(shí)現(xiàn)。

緊湊和具成本效益的解決方案
LT3799 運(yùn)用具整個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)電路 (包括 EMI 濾波器) 的單級(jí)設(shè)計(jì)，僅需要 40 個(gè)外部組件，可保持解決方案簡(jiǎn)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(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。

結(jié)論
面向通用照明應(yīng)用的離線供電 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 解決方案的需求。這類 LED 驅(qū)動(dòng)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(shí)它們必須提供各種保護(hù)功能以提高系統(tǒng)的可靠性。向 LED 照明過渡的經(jīng)濟(jì)性也要求LED 驅(qū)動(dòng)器電路必須非常具成本效益。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類 LED 驅(qū)動(dòng)器了。