LED照明的低壓交流技術(shù)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?，轉(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

簡單地說，升壓可以恢復(fù)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(nèi)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)中，該怎樣在單個(gè)電路中擴(kuò)展系統(tǒng)從而對LED串內(nèi)的每個(gè)LED進(jìn)行充分保護(hù)。使用4個(gè)類似電路就能實(shí)現(xiàn)100W的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并充分保護(hù)（控制）每個(gè)LED串，且可以只用一個(gè)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(nèi)，300～600W的可用功率（和25A總電流）為設(shè)計(jì)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(shù)AC/DC轉(zhuǎn)換的前端基礎(chǔ)。

D1到D4必須設(shè)定額定值，以確定整個(gè)范圍內(nèi)最大凈電壓和電流。輸出電容可通過一個(gè)簡單的公式計(jì)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(zhuǎn)換器部分），AE表示所容許的紋波電壓，f表示交流行頻。

因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)具有的效率可達(dá)92%，假設(shè)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(chǎn)生的平均輸入電流約為782mA。這樣我們可以相應(yīng)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(guān)重要。假設(shè)一個(gè)800mA的輸入電流，在120Hz（因?yàn)槭褂脴蚴秸?，所以?×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(shí)，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?！?/p>

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(yùn)作，溫度每降低10℃壽命就會(huì)延長一倍。也就是說，如果一名設(shè)計(jì)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(shí)的額定電容應(yīng)能持續(xù)使用80,000個(gè)小時(shí)。

良好的熱設(shè)計(jì)在LED應(yīng)用系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。對此類特殊設(shè)計(jì)，溫度最高的器件是轉(zhuǎn)換場效應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)在50℃以下。如何將LED燈而不是電子設(shè)備的上熱量排出去是您會(huì)一直面臨的最大挑戰(zhàn)。

小型陣列設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)光譜的另外一端即小型燈具。小型燈具可包括一個(gè)單一的LED組件或最多三個(gè)LED組件?，F(xiàn)代LED產(chǎn)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(gè)簡單的12VAC的系統(tǒng)可為降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)提供充足的空間來高效地驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域。試想一下一個(gè)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(qū)動(dòng)LED。

圖2 LM3407在12VAC電源和350mA電流供給下驅(qū)動(dòng)單個(gè)3Vf LED

此處，AC/DC轉(zhuǎn)換與大型陣列設(shè)計(jì)的處理方式相同。在輸入電流至DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，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(gè)330μF的電容便能輕松的滿足需求。由于該設(shè)計(jì)消耗的功率很?。ㄝ斎攵松?.5W多），因此可以在一個(gè)單獨(dú)的12VAC低壓電路中支持多達(dá)200個(gè)此類模塊。如果使用24VAC的系統(tǒng)，那么最多可支持超過250個(gè)模塊。

更小的負(fù)載設(shè)計(jì)需要的一個(gè)額外考量是初級(jí)端變壓器可能需要使用最少數(shù)量的負(fù)載來運(yùn)行。我們在微型低功耗系統(tǒng)中限定此組件時(shí)，應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

一個(gè)60W的低壓交流變壓器可能需要10W的負(fù)載來確保準(zhǔn)確地運(yùn)作。LED裝置的效率可能讓人忽視一個(gè)問題，要即相應(yīng)地確定主電源的大小。

中型陣列設(shè)計(jì)

在該電流級(jí)或更低電流級(jí)，通過適當(dāng)?shù)臒峁芾碓O(shè)計(jì)維護(hù)陣列會(huì)實(shí)現(xiàn)超長的產(chǎn)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(qū)動(dòng)器IC不得不面對的巨大挑戰(zhàn)。然而，在經(jīng)歷了幾個(gè)設(shè)計(jì)迭代后，很快將會(huì)出現(xiàn)一大批滿足這些要求的產(chǎn)品。您將發(fā)現(xiàn)很多集成場效應(yīng)晶體管（FET）驅(qū)動(dòng)器的方案將在熱設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)問題。

在這種情況下，許多集成場效應(yīng)晶體管（FET）在30℃的環(huán)境溫度下，顯示出的結(jié)溫超過90℃，這令這些元件只有35℃的空間即會(huì)運(yùn)行在推薦的溫度范圍外（產(chǎn)品在150～160℃運(yùn)行時(shí)，就會(huì)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(jī)械熱設(shè)計(jì)變得更為困難—因?yàn)槟F(xiàn)在需要確保LED不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

坦率的說，60℃ delta的熱循環(huán)對多數(shù)產(chǎn)品都將產(chǎn)生不利影響，從燈罩到LED再到焊接接縫最后到面板。在應(yīng)對熱量問題時(shí)，如圖3所示的LM3409控制器是一個(gè)理想的選擇。它允許一個(gè)設(shè)計(jì)者在多個(gè)外部組件間分散熱量，正如一個(gè)外部廉價(jià)的溝道場效應(yīng)晶體管一樣。

圖3 LM3409在12VAC電源供給下驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(yīng)晶體管（PEFT）的最熱溫度可達(dá)53℃。LM3409自身的結(jié)溫為43℃（在30℃的環(huán)境溫度下進(jìn)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(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，由于LM3409屬于一個(gè)高度集成化的控制器，特別適用于恒定電流LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，它只需最少數(shù)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以輕松進(jìn)行調(diào)光控制，既可以（在EN引腳上）使用PWM，也可以使用模擬調(diào)光。在這種情況下，我們已經(jīng)證明了在主輸入軌之外通過一個(gè)簡單的分壓器便可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光，進(jìn)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(lǐng)域設(shè)計(jì)中實(shí)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(dú)特的調(diào)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(gè)PWM信號(hào)；或者可以使用模擬IADJ引腳。

LM3409實(shí)際上擁有兩個(gè)電流監(jiān)控回路：一個(gè)通過高端電流感應(yīng)電阻器RSNS來設(shè)置，另外一個(gè)在ISENS上直接設(shè)置。設(shè)計(jì)者通過ISENS使用三種方式來利用模擬調(diào)光：使ISENS斷開，此時(shí)可以通過RSNS在限定情況下簡單地設(shè)置LM3409；按照0～1.24V的順序向引腳提供一個(gè)外部電壓（無論通過RSNS進(jìn)行怎樣的設(shè)置——1.2V都是最大輸出）；或者從一個(gè)引腳連接電位計(jì)到地面主動(dòng)地改變電流（始終達(dá)到RSNS設(shè)置的最大值）。

在這種情況下，我們可以在AC/DC轉(zhuǎn)換后通過一個(gè)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(shí)選擇分壓器的數(shù)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(shù)值將會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)較低的輸出。請注意這樣做與使用驅(qū)動(dòng)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(huì)具有一個(gè)抵抗輸入到輸出變化的自然趨勢，以便調(diào)節(jié)到一個(gè)設(shè)定的電壓或電流。如果未提供一個(gè)調(diào)光信號(hào)，那么電路將保持電流調(diào)節(jié)，直到輸入電壓接近輸出電壓為止（LED驅(qū)動(dòng)電壓）。輸出級(jí)別無變化直到輸入到達(dá)電路壓降區(qū)域（通常當(dāng)輸入電壓約比降壓穩(wěn)壓器內(nèi)電流所需的輸出電壓大約高1V時(shí)），在該點(diǎn)上它會(huì)因?yàn)殡妷合陆刀杆俳档洼敵觥?/p>

由于LM3409是溝道場效應(yīng)晶體管控制器且可以在100%的占空比下實(shí)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(diào)光功能會(huì)線性地降低LED電流，因此我們應(yīng)在關(guān)閉電源之前允許一個(gè)完全可調(diào)光的設(shè)計(jì)的電壓值可一直下跌到欠壓鎖定值（或驅(qū)動(dòng)LED所需的最低電壓值）。

通過把變化電壓連接至調(diào)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(huì)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(diǎn)。通過直接連接調(diào)光功能到輸入電壓，我們已經(jīng)無須考慮LED驅(qū)動(dòng)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(diào)光，即將IADJ置于開路狀態(tài)。

低壓三端雙向可控硅開關(guān)元件也會(huì)帶來挑戰(zhàn)。使用一個(gè)自耦調(diào)壓變壓器或其他交流低壓波形峰到峰減少的低壓調(diào)光器系統(tǒng)將非常有效。三端雙向可控硅開關(guān)元件（TRIAC）調(diào)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。