面向 LED 照明的低壓交流應用

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