LED照明的低壓交流技術(shù)應用

低壓交流照明系統

在過(guò)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(dòng)式投射燈照明，再到如花園和景觀(guān)等戶(hù)外應用照明中，此類(lèi)照明系統隨處可見(jiàn)。像宜家家居和美國家得寶這樣的家居零售賣(mài)場(chǎng)和住宅美化商場(chǎng)極大推進(jìn)了該技術(shù)在消費人群中的使用。這類(lèi)低壓照明系統采用特殊低壓編碼規則，終端用戶(hù)可自行安裝而無(wú)需外部承包商。因此，這些系統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(gè)街燈所輸出的光能！這為設計者在設計過(guò)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計，或者在單電源上設計多個(gè)小型燈具，或者兩者的組合?？梢源_定的是，相對于傳統白熾燈，基于LED的設計的靈活性得到了大幅提升。

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

大型陣列設計

光譜終端最能體現出使用LED進(jìn)行設計的獨特優(yōu)勢。對于越大型的單個(gè)照明設備，越有可能采用大陣列來(lái)實(shí)現更高的光輸出應用。100W的LED燈通常會(huì )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用于街燈照明（因為它需要一整套全新的規則和標準），但設計者有可能在一個(gè)低壓交流設計預算的基礎上實(shí)現同樣的照明效果。讓我們以一個(gè)3.5V正向電壓和350mA電流的標準LED為例展開(kāi)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80個(gè)LED燈。

為了達到預期的輸出效果，會(huì )有人試圖采用一個(gè)單驅動(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，因為設計規則只允許我們對每個(gè)LED燈串進(jìn)行單獨的控制。其原因如下：首先，LED和溫度間存在著(zhù)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，那么系統將很快出現故障。

以24VAC系統為例——24VAC系統是最常見(jiàn)的單個(gè)大型設備系統（稍后將分析原因）。我們討論的驅動(dòng)器均是DC/DC轉換器——所以要對主電源提供的交流信號進(jìn)行整流?；诖?，轉換器的輸入條件為：

24VRMS=67.88VPP，通過(guò)整流得到的用去驅動(dòng)環(huán)節的最大輸入電壓為34V。

了解準確的供電情況后，在設計階段，腦海中就已經(jīng)有了一個(gè)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(xiàn)工具中簡(jiǎn)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(huì )發(fā)現，似乎在該輸入范圍內，任何參數都可以滿(mǎn)足設計需求，但受制于占空比，事實(shí)上無(wú)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(dòng)器產(chǎn)品可以滿(mǎn)足上述條件。我們把LED的數量減少一個(gè)，變?yōu)?個(gè)，由此實(shí)現了更多選擇。

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(shí)，大多數低壓交流應用系統中的首選的轉換器拓撲結構多為降壓轉換器——其驅動(dòng)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(lái)說(shuō)，最節省成本的方式是用單個(gè)驅動(dòng)器驅動(dòng)盡可能多的LED。由于我們不提倡使用單驅動(dòng)器并聯(lián)燈串，這樣就會(huì )令串聯(lián)的燈串盡可能的長(cháng)。串聯(lián)燈串的優(yōu)勢是可以精確地確保此燈串上流過(guò)所有LED燈的電流相同，并可提供所需的照明調節和保護。很顯然，更大的輸入電壓可以更輕松地驅動(dòng)更多的LED。但是，由于我們經(jīng)常會(huì )在整流過(guò)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(guò)調節所需的輸出電壓來(lái)驅動(dòng)由更多的LED組成的大LED串。

如果燈串內的LED在20個(gè)以下（Vf=3.5V，LED驅動(dòng)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(shí)現上述設計要求，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(xué)或熱反饋來(lái)改變我的光輸出情況？這些問(wèn)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的理想選擇。LM3424內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）應用系統。

圖1所示為20個(gè)LED燈的串聯(lián)驅動(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光——光輸出會(huì )隨著(zhù)輸入等級的降低而減少——這允許使用一種非常簡(jiǎn)單，但受到充分保護的大串驅動(dòng)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(dòng)20個(gè)LED

簡(jiǎn)單地說(shuō)，升壓可以恢復交流整流過(guò)程中損失的電壓，從而能更有效地在低壓限制范圍內驅動(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計中，該怎樣在單個(gè)電路中擴展系統從而對LED串內的每個(gè)LED進(jìn)行充分保護。使用4個(gè)類(lèi)似電路就能實(shí)現100W的設計目標，并充分保護（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(gè)范圍內最大凈電壓和電流。輸出電容可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計算出來(lái)：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(zhù)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。假設一個(gè)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1V紋波，則需要約9300μF電容。使用3V紋波（9%在34VDC線(xiàn)路上）時(shí)，則僅需要約1500μF的電容。較少的紋波有助于延長(cháng)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作，溫度每降低10℃壽命就會(huì )延長(cháng)一倍。也就是說(shuō)，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(cháng)16倍。這樣的話(huà)，額定壽命為5000小時(shí)的額定電容應能持續使用80,000個(gè)小時(shí)。

良好的熱設計在LED應用系統中是至關(guān)重要的。對此類(lèi)特殊設計，溫度最高的器件是轉換場(chǎng)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(huì )一直面臨的最大挑戰。

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(gè)單一的LED組件或最多三個(gè)LED組件?，F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(jiǎn)單的12VAC的系統可為降壓轉換器拓撲架構提供充足的空間來(lái)高效地驅動(dòng)LED產(chǎn)品。櫥柜照明和陳列照明是低壓交流系統的另外的重要應用領(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(lái)驅動(dòng)LED。

圖2 LM3407在12VAC電源和350mA電流供給下驅動(dòng)單個(gè)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(gè)330μF的電容便能輕松的滿(mǎn)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(gè)單獨的12VAC低壓電路中支持多達200個(gè)此類(lèi)模塊。如果使用24VAC的系統，那么最多可支持超過(guò)250個(gè)模塊。

更小的負載設計需要的一個(gè)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(lái)運行。我們在微型低功耗系統中限定此組件時(shí)，應考慮到這一點(diǎn)。

一個(gè)60W的低壓交流變壓器可能需要10W的負載來(lái)確保準確地運作。LED裝置的效率可能讓人忽視一個(gè)問(wèn)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(guò)適當的熱管理設計維護陣列會(huì )實(shí)現超長(cháng)的產(chǎn)品壽命，即便是在糟糕的熱環(huán)境下。糟糕的熱環(huán)境是眾多驅動(dòng)器IC不得不面對的巨大挑戰。然而，在經(jīng)歷了幾個(gè)設計迭代后，很快將會(huì )出現一大批滿(mǎn)足這些要求的產(chǎn)品。您將發(fā)現很多集成場(chǎng)效應晶體管（FET）驅動(dòng)器的方案將在熱設計方面出現問(wèn)題。

在這種情況下，許多集成場(chǎng)效應晶體管（FET）在30℃的環(huán)境溫度下，顯示出的結溫超過(guò)90℃，這令這些元件只有35℃的空間即會(huì )運行在推薦的溫度范圍外（產(chǎn)品在150～160℃運行時(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，這使機械熱設計變得更為困難—因為您現在需要確保LED不會(huì )出現這種情況。

坦率的說(shuō)，60℃ delta的熱循環(huán)對多數產(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。在應對熱量問(wèn)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)設計者在多個(gè)外部組件間分散熱量，正如一個(gè)外部廉價(jià)的溝道場(chǎng)效應晶體管一樣。

圖3 LM3409在12VAC電源供給下驅動(dòng)一個(gè)單封裝LED陣列

通過(guò)使用LM3409，我們可以極大地降低系統溫度——溝道場(chǎng)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(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)現熱設計目標。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驅動(dòng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以輕松進(jìn)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(jīng)證明了在主輸入軌之外通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器便可以實(shí)現模擬調光，進(jìn)而使LED電流隨著(zhù)降低的輸入電壓值而減弱。LM3409讓我們在該領(lǐng)域設計中實(shí)現了更大的靈活性。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(lèi)似控制器提供的）一個(gè)PWM信號；或者可以使用模擬IADJ引腳。

LM3409實(shí)際上擁有兩個(gè)電流監控回路：一個(gè)通過(guò)高端電流感應電阻器RSNS來(lái)設置，另外一個(gè)在ISENS上直接設置。設計者通過(guò)ISENS使用三種方式來(lái)利用模擬調光：使ISENS斷開(kāi)，此時(shí)可以通過(guò)RSNS在限定情況下簡(jiǎn)單地設置LM3409；按照0～1.24V的順序向引腳提供一個(gè)外部電壓（無(wú)論通過(guò)RSNS進(jìn)行怎樣的設置——1.2V都是最大輸出）；或者從一個(gè)引腳連接電位計到地面主動(dòng)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A(yíng)C/DC轉換后通過(guò)一個(gè)分壓器簡(jiǎn)單地把它連接到主輸入軌。在最大輸入電壓（12VAC系統為16.97V，24VAC系統為33.94V）時(shí)選擇分壓器的數值來(lái)輸出1.24V的電壓。由于輸入電壓被降低，所以通過(guò)選擇分壓器數值將會(huì )實(shí)現一個(gè)較低的輸出。請注意這樣做與使用驅動(dòng)器的不同之處。由于這些都屬于靜止型DC/DC穩壓器，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，以便調節到一個(gè)設定的電壓或電流。如果未提供一個(gè)調光信號，那么電路將保持電流調節，直到輸入電壓接近輸出電壓為止（LED驅動(dòng)電壓）。輸出級別無(wú)變化直到輸入到達電路壓降區域（通常當輸入電壓約比降壓穩壓器內電流所需的輸出電壓大約高1V時(shí)），在該點(diǎn)上它會(huì )因為電壓下降而迅速降低輸出。

由于LM3409是溝道場(chǎng)效應晶體管控制器且可以在100%的占空比下實(shí)現非常低的壓降，因此其讓我們有了更大的選擇范圍。使用模擬調光功能會(huì )線(xiàn)性地降低LED電流，因此我們應在關(guān)閉電源之前允許一個(gè)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(dòng)LED所需的最低電壓值）。

通過(guò)把變化電壓連接至調光功能，我們有效地折中了輸入線(xiàn)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(guò)直接連接調光功能到輸入電壓，我們已經(jīng)無(wú)須考慮LED驅動(dòng)穩定性。輸入線(xiàn)路上的任何瞬變都將在輸出上顯現出來(lái)，直到充分地過(guò)濾為止。鑒于此種原因，不推薦使用此方法來(lái)連接它，除非需要調光，即將IADJ置于開(kāi)路狀態(tài)。

低壓三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件也會(huì )帶來(lái)挑戰。使用一個(gè)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將非常有效。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件（TRIAC）調光系統需要使用額外的電路圖來(lái)解碼“斬波”波形的相位角。