驅(qū)動(dòng)器特性：低電壓AC LED應(yīng)用2

小型數(shù)組設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)重重　降低電容溫度勢(shì)在必行

另一個(gè)極端的設(shè)計(jì)范圍是小型數(shù)組設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可能是單一LED組件或是一個(gè)單獨(dú)的組件中包含三個(gè)組件，可讓1瓦變成3瓦的現(xiàn)代化LED照明效率解決方案，在環(huán)境和公園照明設(shè)備中頗受歡迎。

小型數(shù)組設(shè)計(jì)對(duì)105℃額定值的電容而言，讓它們保持冷卻在65℃及更低的溫度，為此設(shè)計(jì)中較薄弱的環(huán)節(jié);不過(guò)，由于電解質(zhì)電容每低于額定溫度10℃，就能增加一倍的使用壽命，意味著若一個(gè)設(shè)計(jì)師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長(zhǎng)十六倍的額定壽命，在此比率下，5,000小時(shí)的額定電容可延長(zhǎng)到80,000小時(shí)，對(duì)小型數(shù)組設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，雖為極大的挑戰(zhàn)但仍勢(shì)在必行。

由此可證，良好的熱能設(shè)計(jì)在LED應(yīng)用扮演關(guān)鍵角色，且使用有效率的驅(qū)動(dòng)器如LM3429，則使設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)更容易解決。在此設(shè)計(jì)上，最熱門(mén)的裝置是單結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)M1開(kāi)關(guān)，其可達(dá)到約65℃的溫度表現(xiàn)，雖然并沒(méi)有多大影響，但是設(shè)計(jì)者必須確定它與其他重要熱源均與電解質(zhì)電容保持距離，且所有板上的組件都保持在50℃以下，可見(jiàn)從LED散出的熱能永遠(yuǎn)是最大的挑戰(zhàn)，而不是電子學(xué)。

小型數(shù)組設(shè)計(jì)獲櫥柜/展示用照明青睞

櫥柜和展示用照明是低電壓交流電系統(tǒng)中，關(guān)于小型數(shù)組設(shè)計(jì)的另一個(gè)受歡迎應(yīng)用，可考慮一個(gè)3伏特正向電壓、350毫安、1瓦的LED，搭載一個(gè)簡(jiǎn)單的12VAC系統(tǒng)，即可因降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)提供充分余量，并可有效率的驅(qū)動(dòng)LED。如圖2所示，LM3407提供一個(gè)350毫安的輸出限制、小型封裝，和極少的外部組件，以驅(qū)動(dòng)此類(lèi)型的LED。由于低功率消耗的設(shè)計(jì)(在輸入端稍為超出1.5W)概念，可在一個(gè)單獨(dú)的低電壓12VAC電路支持多達(dá)兩百個(gè)模塊，若使用24VAC系統(tǒng)操作，則可超過(guò)兩百五十個(gè)(大部分低電壓系統(tǒng)的電流限制最大為25安培)。

圖2 符合小型數(shù)組設(shè)計(jì)的LM3407采用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動(dòng)電流為350毫安的3Vf單一LED。

反觀(guān)交流對(duì)直流(AC-DC)的轉(zhuǎn)換則是以大型數(shù)組設(shè)計(jì)處理，基于直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換區(qū)的輸入電流，可為輸入整流二極管和保持電容選擇適當(dāng)值。在此設(shè)計(jì)中，小于100毫安的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容，因此，330μF將能輕易實(shí)現(xiàn)這樣的需求。

有一項(xiàng)額外考慮系針對(duì)較小負(fù)載設(shè)計(jì)而生，主要系一次側(cè)變壓器的工作可能需要某一個(gè)最低負(fù)荷，當(dāng)處在非常小且低功耗的系統(tǒng)中，便須要特別考慮此問(wèn)題。以一個(gè)60瓦低電壓交流變壓器而言，可能需10瓦的負(fù)載才能正常運(yùn)行，而LED裝置的效率可根據(jù)主電源的供應(yīng)范圍處理該問(wèn)題。

舉例來(lái)說(shuō)，在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的RD-148參考設(shè)計(jì)中，運(yùn)用LM3405A展示在12VAC系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)一個(gè)3.6Vf、600毫安的單一LED解決方案。而基于該參考設(shè)計(jì)架構(gòu)的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模塊中，因其有較小的封裝尺寸(LM3405A采SOT23封裝)和極少的外部組件。透過(guò)RD-148的實(shí)例，將能簡(jiǎn)易實(shí)行一個(gè)尺寸為14毫米×21.5毫米的完整解決方案，甚至是更小的解決方案也可能實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)中型數(shù)組系統(tǒng)　熱能管理至為關(guān)鍵

目前中型設(shè)計(jì)(中型數(shù)組，但許多個(gè)別系統(tǒng))已提出最新的進(jìn)展，藉由使用單一封裝的較大多組件數(shù)組就能提高照明輸出，且有更好的效率和熱能管理技術(shù)。欲完成此種設(shè)計(jì)，可考慮一個(gè)10.5伏特的Vf暖白光數(shù)組，和一個(gè)典型的640毫安電流。值得注意的是，維持?jǐn)?shù)組在典型的電流或適當(dāng)?shù)臒崮芄芾碓O(shè)計(jì)，特別能延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，甚至是在高溫有害的環(huán)境中，雖然這對(duì)許多IC驅(qū)動(dòng)器是很困難的挑戰(zhàn)，但在市場(chǎng)需求的推動(dòng)之下，可預(yù)期不久之后就有大量符合此需求的產(chǎn)品出現(xiàn)。然而，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)后，產(chǎn)業(yè)界便發(fā)現(xiàn)許多整合FET的驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于熱能設(shè)計(jì)有處理上的困難。

承續(xù)上述論點(diǎn)，許多整合FET的產(chǎn)品在30℃環(huán)境溫度下操作，其IC接面點(diǎn)溫度超過(guò)90℃，這代表組件在外部環(huán)境建議的操作溫度下，只有35℃的余量(到達(dá)150～160℃時(shí)就會(huì)進(jìn)入熱能關(guān)機(jī)，但最大的建議操作溫度是125℃)，這對(duì)熱能機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是很難處理的，故須確保該情況不會(huì)在LED的應(yīng)用上發(fā)生。

熱能挑戰(zhàn)迎刃而解　高整合控制器功不可沒(méi)

總括來(lái)說(shuō)，60℃溫差的熱能循環(huán)(從LED帽到焊接點(diǎn)，一直到驅(qū)動(dòng)板)在設(shè)計(jì)上并不完美。談到LED的使用壽命和可靠性，熱能永遠(yuǎn)是必須解決的問(wèn)題，而圖3所示的LM3409控制器就是一個(gè)優(yōu)異的選擇，它能讓設(shè)計(jì)者透過(guò)各種外部組件將熱能排出，以一個(gè)低成本的P-Channel金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(PFET)外部組件為例，藉由使用LM3409就能顯著降低系統(tǒng)溫度，而其中最熱的組件應(yīng)該是53℃的PFET。

圖3 適合中型數(shù)組設(shè)計(jì)的LM3409采用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動(dòng)640毫安電流和10.4伏特的LED數(shù)組封裝。

由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測(cè)試都在30℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，這表示其擁有充分的熱能余量，也使設(shè)計(jì)者更容易達(dá)到熱能設(shè)計(jì)的目標(biāo)。此外，LM3409系一個(gè)高度整合的控制器，特別是用于固定電流的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，所以只需要少數(shù)的外部組件，便可以解決尺寸問(wèn)題和降低生產(chǎn)成本。

LM3409亦具有容易進(jìn)行調(diào)光控制的優(yōu)勢(shì)，不論是PWM調(diào)光(在EN接腳上)或是模擬調(diào)光，均可藉由一個(gè)電壓分壓器隔開(kāi)主要輸入軌來(lái)獲得模擬調(diào)光功能，如此一來(lái)，就能在輸入電壓直接降低時(shí)，連帶使LED電流下降，以達(dá)到設(shè)計(jì)彈性。其次，如果要求絕對(duì)色彩準(zhǔn)確性或其他特殊的調(diào)光功能，則可使用PWM訊號(hào)(外部的微控制器或類(lèi)似裝置所提供)或是模擬IADJ接腳，完成此一需求。

另一方面，LM3409具有兩個(gè)有效的監(jiān)視電流回路，一個(gè)是設(shè)置在高端電流感測(cè)電阻RSNS，另一個(gè)直接在ISENS。設(shè)計(jì)者有三個(gè)方法經(jīng)由ISENS來(lái)達(dá)到模擬調(diào)光，首先是透過(guò)ISENS開(kāi)路以讓RSNS控制LM3409;再者系提供接腳一個(gè)從0～1.24伏特的外部電壓(由RSNS設(shè)置時(shí)1.2伏特是最大輸出);或可從接腳到地面連結(jié)一個(gè)分壓器以改變電流(永遠(yuǎn)將RSNS設(shè)置到最大)。

透過(guò)以上三種方式，在交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)由電壓分壓器到主輸入軌就能輕易連結(jié);不過(guò)若選擇電壓分配器在1.24伏特時(shí)，則可擁有最大的輸入電壓(12VAC系統(tǒng)16.97V，24VAC系統(tǒng)33.94V)，因此，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，理所當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較低的光源輸出。

而值得討論的是，該情況與不具典型調(diào)光裝置驅(qū)動(dòng)器的差別，或沒(méi)有這個(gè)連結(jié)的話(huà)，LM3409將如何表現(xiàn)。

由于上述情況均是針對(duì)直流對(duì)直流的調(diào)節(jié)器，所以會(huì)有輸入到輸出改變的自然情形，有鑒于此，想要對(duì)一個(gè)固定的電壓或電流加以控制的想法便應(yīng)運(yùn)而生。舉例來(lái)說(shuō)，若不提供一個(gè)調(diào)光訊號(hào)，電路就會(huì)嘗試維持電流的規(guī)格，直到輸入電壓接近輸出電壓(LED驅(qū)動(dòng)電壓)，且輸出電平將不會(huì)改變，直到輸入端進(jìn)入電路訊號(hào)損耗區(qū)(通常是在降壓調(diào)節(jié)器運(yùn)作下驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，輸入的伏特?cái)?shù)高于所要求的輸出)，當(dāng)輸入電壓開(kāi)始下降時(shí)，輸出電壓也隨著快速減少。

反觀(guān)在PFET控制器的調(diào)節(jié)下，LM3409只有小范圍的改變，能夠在整個(gè)工作周期下，維持非常低的損失，其使用模擬調(diào)光功能可以線(xiàn)性方式降低LED電流，使LED具備可調(diào)光的設(shè)計(jì)，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉前達(dá)到欠壓鎖定設(shè)定(或者可以用極小的輸出電壓驅(qū)動(dòng)LED)。藉由改變電壓的方式來(lái)達(dá)到調(diào)光功能，已能有效的控制輸入線(xiàn)路，而在交流對(duì)直流的前端，則需要額外的電容以達(dá)到光源輸出后，所造成的輸入漣波最小化。

此外，透過(guò)直接鏈接調(diào)光功能到輸入電壓，可不須顧慮LED驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定度。除非充分過(guò)濾，否則輸入線(xiàn)路的任何暫時(shí)狀態(tài)都會(huì)顯示在輸出上。因此，該連結(jié)方式較不受到支持，除非須要使用調(diào)光功能，讓IADJ維持開(kāi)路。

另一方面，低電壓TRIAC調(diào)光裝置也可能會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。使用調(diào)壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調(diào)光系統(tǒng)，若使用類(lèi)似的電路就可以良好的運(yùn)作，不過(guò)，TRIAC調(diào)光系統(tǒng)需要額外的電路用以適當(dāng)?shù)淖g碼截波波形。

低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED　照明解決方案大小通吃

總結(jié)而言，低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED照明效能，可提供設(shè)計(jì)者創(chuàng)造各式各樣從小型到大型照明解決方案的能力。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體擁有適用于24VAC和12VAC系統(tǒng)廣泛的產(chǎn)品組合，以協(xié)助實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)，在五花八門(mén)的產(chǎn)品陣容下，決定使用那種解決方案則取決于組件的特色，以及所需的解決方案尺寸。

尤其須要注意的是，整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須透過(guò)現(xiàn)今驅(qū)動(dòng)器的一些特性與進(jìn)展，才能作出正確的決定，并使設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)易、更健全和有效降低成本。擁有完備的解決方案知識(shí)，將能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兼具快速及成本效益的解決方案，亦讓設(shè)計(jì)人員擁有許多可用的選擇。

不僅如此，低電壓交流電LED在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方面也提供穩(wěn)定的電路分析，有關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)都能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和金錢(qián)，同時(shí)也能提升產(chǎn)品的可靠性。