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，倉庫、停車庫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。