LED照明的低壓交流技術應用

低壓交流照明系統(tǒng)

在過去的30年中，低壓交流照明設備已日趨普及。如今，從室內局部照明到一般性的活動式投射燈照明，再到如花園和景觀等戶外應用照明中，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了該技術在消費人群中的使用。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照明應用——在光效方面，最新的300W LED的光效等同于3～4個街燈所輸出的光能！這為設計者在設計過程中提供了極大的靈活度——可以進行相對較大的整體性單元設計，或者在單電源上設計多個小型燈具，或者兩者的組合?？梢源_定的是，相對于傳統(tǒng)白熾燈，基于LED的設計的靈活性得到了大幅提升。

設想一下在一個低壓交流系統(tǒng)上應用三類不同的照明設備：一個大的/高輸出設計在每系統(tǒng)中僅能支持一個或兩個照明設備，一個中等輸出設計將在一個系統(tǒng)中支持多個（10～20個）較小的燈具，而一個輸出較小的設計則需要在一個單系統(tǒng)上支持大量（50～100個或更多）的燈具。

大型陣列設計

光譜終端最能體現(xiàn)出使用LED進行設計的獨特優(yōu)勢。對于越大型的單個照明設備，越有可能采用大陣列來實現(xiàn)更高的光輸出應用。100W的LED燈通常會面向街燈照明應用（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（因為它需要一整套全新的規(guī)則和標準），但設計者有可能在一個低壓交流設計預算的基礎上實現(xiàn)同樣的照明效果。讓我們以一個3.5V正向電壓和350mA電流的標準LED為例展開討論。藉此，能粗略地估算出每個LED功率為1.2W，需要大概總計80個LED燈。

為了達到預期的輸出效果，會有人試圖采用一個單驅動器及多個串/并聯(lián)的LED燈的組合。我們通常會對此感到沮喪，因為設計規(guī)則只允許我們對每個LED燈串進行單獨的控制。其原因如下：首先，LED和溫度間存在著正反饋的關系——溫度升高，則正向電壓下降，從而引起更多的電流流動（如果不嚴密控制），這會令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)是最常見的單個大型設備系統(tǒng)（稍后將分析原因）。我們討論的驅動器均是DC/DC轉換器——所以要對主電源提供的交流信號進行整流?；诖?，轉換器的輸入條件為：

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

了解準確的供電情況后，在設計階段，腦海中就已經有了一個特定的LED。正如我們在這里討論的所有設計一樣，在WEBENCH LED Designer在線工具中簡單鍵入輸入電壓、LED型號/值和想要的LED輸出配置即可。查看搜索工作會發(fā)現(xiàn)，似乎在該輸入范圍內，任何參數都可以滿足設計需求，但受制于占空比，事實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驅動器產品可以滿足上述條件。我們把LED的數量減少一個，變?yōu)?個，由此實現(xiàn)了更多選擇。

但更有趣的是，當LED串由電壓支持，且LED串中LED的數目增多時，大多數低壓交流應用系統(tǒng)中的首選的轉換器拓撲結構多為降壓轉換器——其驅動LED的輸出電壓遠低于轉換器的輸入電壓。這是適用于由少量LED組成的LED串的設計思路。

一般來說，最節(jié)省成本的方式是用單個驅動器驅動盡可能多的LED。由于我們不提倡使用單驅動器并聯(lián)燈串，這樣就會令串聯(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節(jié)和保護。很顯然，更大的輸入電壓可以更輕松地驅動更多的LED。但是，由于我們經常會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，并通過調節(jié)所需的輸出電壓來驅動由更多的LED組成的大LED串。

如果燈串內的LED在20個以下（Vf=3.5V，LED驅動電流為350mA的條件下）即在低壓限制的范圍內（70VDC——在84.85VPP低壓限制內）保持升壓輸出。使用LM342X可以輕松實現(xiàn)上述設計要求，并能提供大量保護機制，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制（PWM）調光？模擬調光？或是否希望結合某種光學或熱反饋來改變我的光輸出情況？這些問題都有助于進行不同選擇。LM3421/23具有使能引腳和眾多的附加故障檢測報警功能，這讓其成為需要高保護水平和需求對微控制器提供反饋信息的應用系統(tǒng)的理想選擇。LM3424內置熱折返性能使其適用于光學和熱反饋（降低與LED溫度相關的輸出電流）應用系統(tǒng)。

圖1所示為20個LED燈的串聯(lián)驅動電路，每個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光——光輸出會隨著輸入等級的降低而減少——這允許使用一種非常簡單，但受到充分保護的大串驅動器。如果想要更高的彩色精確度，則可以使用脈寬調制（PWM）調光。

圖1 升壓配置的LM3429可驅動20個LED

簡單地說，升壓可以恢復交流整流過程中損失的電壓，從而能更有效地在低壓限制范圍內驅動大的LED串前端消耗的功率大約為27W（24.5W用于LED），因此很容易弄清在真正的大型設計中，該怎樣在單個電路中擴展系統(tǒng)從而對LED串內的每個LED進行充分保護。使用4個類似電路就能實現(xiàn)100W的設計目標，并充分保護（控制）每個LED串，且可以只用一個普通的整流器前端（只需4倍的電橋二極管電流額定值，和4倍的C1，C2電容量）。在使用LED照明的低壓系統(tǒng)內，300～600W的可用功率（和25A總電流）為設計者提供了多種選擇方案。

不要忘記了橋式整流器！它是該電路的和多數AC/DC轉換的前端基礎。

D1到D4必須設定額定值，以確定整個范圍內最大凈電壓和電流。輸出電容可通過一個簡單的公式計算出來：C=0.7(I)/ΔE(f)其中，I表示通向下行電路的輸入電流值（DC/DC轉換器部分），AE表示所容許的紋波電壓，f表示交流行頻。

因為該設計具有的效率可達92%，假設LED的功率為24.5W，這就意味著DC/DC前端部分的功率為26.6W。在整流后（34VDC）24VAC電壓源產生的平均輸入電流約為782mA。這樣我們可以相應地確定整流二極管的尺寸，而容許紋波對所需的電容量中也至關重要。假設一個800mA的輸入電流，在120Hz（因為使用橋式整流，所以為2×60Hz）的電路上允許出現(xiàn)1V紋波，則需要約9300μF電容。使用3V紋波（9%在34VDC線路上）時，則僅需要約1500μF的電容。較少的紋波有助于延長電解電容器的使用壽命——在這種情況下，可能要選擇大容量電容。　

取105℃的額定電容，將其冷卻到65℃或以下。電解電容器在額定溫度下運作，溫度每降低10℃壽命就會延長一倍。也就是說，如果一名設計者可以將105℃的額定電容維持在65℃或更低，那么他就能將其額定壽命延長16倍。這樣的話，額定壽命為5000小時的額定電容應能持續(xù)使用80,000個小時。

良好的熱設計在LED應用系統(tǒng)中是至關重要的。對此類特殊設計，溫度最高的器件是轉換場效應晶體管（FET）M1，其溫度約為65℃。這樣固然很好，但你需要確保其他重要的熱源遠離那些電解電容器。在30℃的環(huán)境下底板上所有其他器件的溫度應在50℃以下。如何將LED燈而不是電子設備的上熱量排出去是您會一直面臨的最大挑戰(zhàn)。

小型陣列設計

設計光譜的另外一端即小型燈具。小型燈具可包括一個單一的LED組件或最多三個LED組件。現(xiàn)代LED產品的光效令1～3W的LED解決方案對環(huán)境和花園照明而言極具吸引力。

一個簡單的12VAC的系統(tǒng)可為降壓轉換器拓撲架構提供充足的空間來高效地驅動LED產品。櫥柜照明和陳列照明是低壓交流系統(tǒng)的另外的重要應用領域。試想一下一個正向電壓為3V的1W LED的工作電流為350mA。

圖2所示的LM3407的輸出極限為350mA采用小型封裝及最少量的外部部件來驅動LED。

圖2 LM3407在12VAC電源和350mA電流供給下驅動單個3Vf LED

此處，AC/DC轉換與大型陣列設計的處理方式相同。在輸入電流至DC/DC轉換器部分，我們可以為輸入整流二極管和保持電容選擇合適的值。借助該設計，小于100mA的輸入電流和2V的紋波電壓需要約290μF的電容。在通常情況下，一個330μF的電容便能輕松的滿足需求。由于該設計消耗的功率很?。ㄝ斎攵松?.5W多），因此可以在一個單獨的12VAC低壓電路中支持多達200個此類模塊。如果使用24VAC的系統(tǒng)，那么最多可支持超過250個模塊。

更小的負載設計需要的一個額外考量是初級端變壓器可能需要使用最少數量的負載來運行。我們在微型低功耗系統(tǒng)中限定此組件時，應考慮到這一點。

一個60W的低壓交流變壓器可能需要10W的負載來確保準確地運作。LED裝置的效率可能讓人忽視一個問題，要即相應地確定主電源的大小。

中型陣列設計

在該電流級或更低電流級，通過適當的熱管理設計維護陣列會實現(xiàn)超長的產品壽命，即便是在糟糕的熱環(huán)境下。糟糕的熱環(huán)境是眾多驅動器IC不得不面對的巨大挑戰(zhàn)。然而，在經歷了幾個設計迭代后，很快將會出現(xiàn)一大批滿足這些要求的產品。您將發(fā)現(xiàn)很多集成場效應晶體管（FET）驅動器的方案將在熱設計方面出現(xiàn)問題。

在這種情況下，許多集成場效應晶體管（FET）在30℃的環(huán)境溫度下，顯示出的結溫超過90℃，這令這些元件只有35℃的空間即會運行在推薦的溫度范圍外（產品在150～160℃運行時，就會因太熱而停止工作，為此最大的建議工作溫度值為125℃）。同樣，這使機械熱設計變得更為困難—因為您現(xiàn)在需要確保LED不會出現(xiàn)這種情況。

坦率的說，60℃ delta的熱循環(huán)對多數產品都將產生不利影響，從燈罩到LED再到焊接接縫最后到面板。在應對熱量問題時，如圖3所示的LM3409控制器是一個理想的選擇。它允許一個設計者在多個外部組件間分散熱量，正如一個外部廉價的溝道場效應晶體管一樣。

圖3 LM3409在12VAC電源供給下驅動一個單封裝LED陣列

通過使用LM3409，我們可以極大地降低系統(tǒng)溫度——溝道場效應晶體管（PEFT）的最熱溫度可達53℃。LM3409自身的結溫為43℃（在30℃的環(huán)境溫度下進行測試）。這樣的溫度給出了大量的熱空間并使我們更容易實現(xiàn)熱設計目標。另外，由于LM3409屬于一個高度集成化的控制器，特別適用于恒定電流LED驅動應用，它只需最少數量的外部組件便可降低解決方案的體積和成本。

LM3409的另外一個優(yōu)點是可以輕松進行調光控制，既可以（在EN引腳上）使用PWM，也可以使用模擬調光。在這種情況下，我們已經證明了在主輸入軌之外通過一個簡單的分壓器便可以實現(xiàn)模擬調光，進而使LED電流隨著降低的輸入電壓值而減弱。LM3409讓我們在該領域設計中實現(xiàn)了更大的靈活性。如果需要絕對的色彩精度或要求具備其他獨特的調光功能，那么可以使用（由外部微控制器或類似控制器提供的）一個PWM信號；或者可以使用模擬IADJ引腳。

LM3409實際上擁有兩個電流監(jiān)控回路：一個通過高端電流感應電阻器RSNS來設置，另外一個在ISENS上直接設置。設計者通過ISENS使用三種方式來利用模擬調光：使ISENS斷開，此時可以通過RSNS在限定情況下簡單地設置LM3409；按照0～1.24V的順序向引腳提供一個外部電壓（無論通過RSNS進行怎樣的設置——1.2V都是最大輸出）；或者從一個引腳連接電位計到地面主動地改變電流（始終達到RSNS設置的最大值）。

在這種情況下，我們可以在AC/DC轉換后通過一個分壓器簡單地把它連接到主輸入軌。在最大輸入電壓（12VAC系統(tǒng)為16.97V，24VAC系統(tǒng)為33.94V）時選擇分壓器的數值來輸出1.24V的電壓。由于輸入電壓被降低，所以通過選擇分壓器數值將會實現(xiàn)一個較低的輸出。請注意這樣做與使用驅動器的不同之處。由于這些都屬于靜止型DC/DC穩(wěn)壓器，因此它們會具有一個抵抗輸入到輸出變化的自然趨勢，以便調節(jié)到一個設定的電壓或電流。如果未提供一個調光信號，那么電路將保持電流調節(jié)，直到輸入電壓接近輸出電壓為止（LED驅動電壓）。輸出級別無變化直到輸入到達電路壓降區(qū)域（通常當輸入電壓約比降壓穩(wěn)壓器內電流所需的輸出電壓大約高1V時），在該點上它會因為電壓下降而迅速降低輸出。

由于LM3409是溝道場效應晶體管控制器且可以在100%的占空比下實現(xiàn)非常低的壓降，因此其讓我們有了更大的選擇范圍。使用模擬調光功能會線性地降低LED電流，因此我們應在關閉電源之前允許一個完全可調光的設計的電壓值可一直下跌到欠壓鎖定值（或驅動LED所需的最低電壓值）。

通過把變化電壓連接至調光功能，我們有效地折中了輸入線路抑制，因此AC/DC前端可能會需要額外的電容，去最小化輸入紋波，以免影響光輸出，這是需要指出的重要一點。通過直接連接調光功能到輸入電壓，我們已經無須考慮LED驅動穩(wěn)定性。輸入線路上的任何瞬變都將在輸出上顯現(xiàn)出來，直到充分地過濾為止。鑒于此種原因，不推薦使用此方法來連接它，除非需要調光，即將IADJ置于開路狀態(tài)。

低壓三端雙向可控硅開關元件也會帶來挑戰(zhàn)。使用一個自耦調壓變壓器或其他交流低壓波形峰到峰減少的低壓調光器系統(tǒng)將非常有效。三端雙向可控硅開關元件（TRIAC）調光系統(tǒng)需要使用額外的電路圖來解碼“斬波”波形的相位角。