脫機式驅動(dòng)瓶頸突破 家用LED照明系統可靠性大增

為滿(mǎn)足家用LED照明應用市場(chǎng)日益嚴苛的產(chǎn)品要求，新一代脫機式LED驅動(dòng)器具備電氣隔離、高效率、功率因子校正和Triac調光等功能，并提供良好調節的電流，以保持一致亮度，同時(shí)各種保護功能，也提高系統可靠性。

在過(guò)去幾年中，顯示器背光照明應用一直是驅動(dòng)發(fā)光二極管(LED)市場(chǎng)成長(cháng)的主要因素。不過(guò)現今LED通用照明在商用和住宅市場(chǎng)的吸引力越來(lái)越大，也進(jìn)一步加速了LED市場(chǎng)的成長(cháng)。根據市場(chǎng)研究機構LEDinside的研究報告指出，2010年商用高流明LED照明系統出現快速成長(cháng)。這是由于就大多數消費者而言，家用LED照明仍然太過(guò)昂貴。反觀(guān)，對于停車(chē)場(chǎng)、辦公室、工廠(chǎng)、倉庫等商用領(lǐng)域，LED照明卻能帶來(lái)節能和環(huán)保等長(cháng)期益處，加上相關(guān)的減稅政策，因此這些應用領(lǐng)域的LED照明使用量將出現大幅成長(cháng)。

家用LED照明市場(chǎng)將加速成長(cháng)

LED燈不僅可以取代高壓鈉燈、鹵素燈和白熾燈，而且在某些領(lǐng)域還能取代節能熒光燈(CFL)和熒光燈。LED商用照明將迅速成長(cháng)并得到廣泛采用，而2012年則是家用LED照明關(guān)鍵的一年。

在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的25～40%，因此商業(yè)應用開(kāi)始改用LED照明，其實(shí)并不令人感到意外。由于此類(lèi)應用需要高強度、長(cháng)時(shí)間照明，所以節省電能導致的經(jīng)濟回報亦相對短期。另外，LED附屬裝置壽命很長(cháng)，因此大幅降低LED燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈具本身的成本，還包括動(dòng)手更換的勞動(dòng)成本，而通常在某些應用中，例如高階燈照明應用的拆裝，這些需要專(zhuān)業(yè)級的勞動(dòng)成本則都是很高。

整體而言，從大多數消費者的角度著(zhù)眼的話(huà)，通用的家用LED照明仍然太過(guò)昂貴，不過(guò)，未來(lái)隨著(zhù)LED附屬裝置價(jià)格下降和LED更加廣泛供貨，照明市場(chǎng)在住宅領(lǐng)域也將出現大幅成長(cháng)。大多數分析師都預期，住宅市場(chǎng)于2012年以后將加速成長(cháng)。

LED驅動(dòng)器IC設計考慮多方多面

正如前面所提，LED照明市場(chǎng)高成長(cháng)率背后的主要驅動(dòng)因素是其能大幅降低功耗。若與白熾燈照明相比，提供同樣的光輸出量(以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的20%。如表1所示，LED照明還有更多優(yōu)勢，但也有更多挑戰。LED的優(yōu)勢包括壽命比白熾燈更長(cháng)，這大大降低了更換成本；尤其是在住宅照明市場(chǎng)，能利用以前安裝的雙向硅控整流器(Triac)調光器給LED調光也是一個(gè)主要的優(yōu)勢。LED燈可實(shí)時(shí)接通，毋需像CFL的預熱時(shí)間，而且LED燈對電源周期不敏感，這一點(diǎn)也與CFL燈不同。此外，LED照明的附屬裝置不含任何需要控制或處理的有毒材料，而CFL采用有毒水銀蒸氣工作。最后，LED可實(shí)現新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術(shù)則不可能做到。

此類(lèi)新型LED照明應用所涉及的范圍非常之廣，從4瓦(W)的旋入式可替換型白熾燈泡到100W的街燈、再到需要幾百瓦功率的高棚燈等。大多數這些LED燈須要依靠現有的交流電(AC)脫機式電源(視終端應用所處地理位置的不同，通常為90～265交流電壓(VAC)來(lái)工作。為獲得從AC脫機式電源來(lái)高效驅動(dòng)LED的能力，因而產(chǎn)生一些相當獨特的LED驅動(dòng)器IC設計難題。

LED驅動(dòng)器不僅必須提供最高效率以確保節省功率，而且出于安全考慮，還須提供電氣隔離。此外，LED驅動(dòng)器也得提供功率因子校正(PFC)和低諧波失真性能，以適用于多種應用。不僅如此，在很多住宅應用中，LED驅動(dòng)器還必須提供用現有Triac調光器調光的能力。最后，解決方案須具備成本效益，且總體面積要精小，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，以吸引商用和住宅用戶(hù)用LED燈更換現有照明燈?？偠灾?，必須要有能夠滿(mǎn)足這些要求的LED驅動(dòng)器IC可用，這對LED照明應用普及化至關(guān)重要。
LED功率節省仍有精進(jìn)空間

LED照明市場(chǎng)迅速成長(cháng)背后的主要驅動(dòng)力之一是與白熾燈甚至CFL照明相比，LED燈可節省較多的功率。因此，研究一下用現有LED能節省的功率以及未來(lái)幾年內，其功率將如何進(jìn)一步節省。

目前60W白熾燈可提供約800流明，可轉換為13.3流明/瓦(lm/W)。而現有LED就商用產(chǎn)品而言，效率在50～170lm/W之間。未來(lái)的LED則將提供范圍為200～230lm/W的效率。然而，最大的理論效率約為250lm/W。

就照明用途而言，可考慮100lm/W的LED。LED本身所需要的電功率為8W。不過(guò)，交流對直流(AC-DC)LED驅動(dòng)電子線(xiàn)路的效率也必須考慮在內，就高性能LED驅動(dòng)器而言，此效率為85%。因此，脫機式電源所需的總功率為8W/0.85=9.4W，從而與白熾燈相比，功率節省了84%。如果用65lm/W這個(gè)更加保守的數字，那么相對于白熾燈耗用的功率而言，LED功率可降低75%。展望未來(lái)，當提供200lm/W的LED可用時(shí)，功率將節省多達92%。為滿(mǎn)足目前能源之星的要求，相對于標準白熾燈，LED燈的功率須至少降低75%，才能取代白熾燈。

脫機式供電設計難度高

能用脫機式電源驅動(dòng)LED就可使應用越來(lái)越快地增加，因為在商用建筑和住宅中，可以非常便利且輕易得到這種形式的電源。盡管LED燈的附屬裝置相對簡(jiǎn)單，最終用戶(hù)非常容易安裝，但是對LED驅動(dòng)器IC的要求卻也大幅提高了。因為L(cháng)ED須要一個(gè)良好調節的定電流源，以提供恒定的光輸出，所以用AC輸入源給LED供電需要一些特殊的設計方法，并要滿(mǎn)足一些特別的設計需求。

例如，在世界上不同地區，脫機式電源參數可能不同，一般在90～265VAC之間，頻率則為50～65Hz。因此要制造通用全球市場(chǎng)的LED附屬裝置，最好擁有這樣一個(gè)無(wú)須修改就能使LED用在全球任何地方的電路設計，想達到這樣的目標，就需要單一LED驅動(dòng)器IC能處理多種輸入電壓和頻率的功能。

除此之外，還有很多脫機式LED應用需要LED與驅動(dòng)電路之間實(shí)現電氣隔離，這主要是出于安全上的考慮，同時(shí)亦是幾家監管機構所嚴格要求的。電氣隔離一般由隔離型反馳式LED驅動(dòng)器架構，該架構運用變壓器隔離驅動(dòng)電路的主端和副端。

采用LED照明的動(dòng)力來(lái)自于提供特定光輸出量所需的功率可大幅降低，因此當務(wù)之急是LED驅動(dòng)器IC要提供最高效率。因為L(cháng)ED驅動(dòng)器電路必須將高壓AC電源轉換為更低的電壓和良好調節的LED電流，所以L(fǎng)ED驅動(dòng)器IC必須設計為可提供高于80%的效率，以不浪費功率。

而且為了配合在住宅應用中常見(jiàn)的Triac調光器已大量安裝到位的情況下，使LED普及應用成為可能，LED驅動(dòng)器IC必須與這些調光器一起高效運作。Triac調光器專(zhuān)為與白熾燈和鹵素燈很好配合工作而設計，這兩種燈是理想的電阻性負載。然而，LED驅動(dòng)器電路一般是非線(xiàn)性的，而且不是電純阻性負載。其輸入橋式整流器在A(yíng)C輸入電壓處于其正峰值和負峰值時(shí)，通常須吸收高強度的峰值電流。因此，LED驅動(dòng)器IC必須通過(guò)設計來(lái)「模仿」一個(gè)純電阻性負載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確啟動(dòng)，并利用一個(gè)Triac進(jìn)行適當的調光。

就LED照明而言，PFC是一個(gè)重要的性能規格。簡(jiǎn)言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么功率校正因子為1。因為白熾燈是一種理想的電阻性負載，所以輸入電流和電壓同相，且PFC為1。PFC特別重要，因為它與本地電力供貨商所須提供的電功率有關(guān)。

換言之，在一個(gè)電力系統中，與一個(gè)具有高功率因子的負載相比，在所傳輸的有用功率相同的情況下，一個(gè)具有低功率因子的負載可吸取更大的電流。因為所需電流較高，所以在配電系統中損失的能量也提高了，因此需要更粗的導線(xiàn)和其他傳輸設備。然而，較大的設備和能源浪費增加了成本，所以電力公司通常對功率因子較低的工業(yè)或商用客戶(hù)收取較高的費用。LED應用的國際標準仍然處于開(kāi)發(fā)中，不過(guò)大多數人相信，就LED照明應用而言，將要求PFC>0.90。

LED驅動(dòng)器電路(包括大量二極管、變壓器和電容器)的表現不像一個(gè)純電阻性負載，其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到0.9以上，主動(dòng)或被動(dòng)PFC電路都必須設計到LED驅動(dòng)器電路內。此外，在采用數百個(gè)以上50瓦LED燈的應用中，高PFC尤其重要，在這種情況下，高PFC(>0.95)LED驅動(dòng)器設計是有益的。

另一方面，高PFC還有一點(diǎn)也很重要，即是最大限度降低LED附屬裝置的諧波失真。國際電工委員會(huì )(IEC)已制定了C類(lèi)照明設備諧波性能規范IEC 61000-3-2，以確保新的LED照明附屬裝置滿(mǎn)足低失真要求。

滿(mǎn)足成本及尺寸要求　精簡(jiǎn)LED驅動(dòng)電路勢在必行

在照明應用中，能在較寬的線(xiàn)電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內準確調節LED電流是至關(guān)重要的，因為L(cháng)ED亮度的變化必須是人眼難以察覺(jué)的。同樣的，為確保LED有最長(cháng)的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅動(dòng)LED相當重要。在隔離型反馳式應用中，LED電流的調節并不是直接進(jìn)行，常常須要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的回饋回路，或者可能增加一個(gè)額外的轉換級。然而，這兩種方法都帶來(lái)復雜性和可靠性等問(wèn)題。幸運的是，有些LED驅動(dòng)器IC的設計采用新的設計方法，無(wú)需這些額外的組件或不增加設計復雜性，就能準確調節LED電流。

然而，要從白熾燈迅速向LED燈轉變，最大的障礙是在于LED解決方案的成本和尺寸。雖然若考慮到在LED的壽命期內電力成本和更換成本的降低，以這樣的價(jià)格換一個(gè)LED燈確實(shí)有經(jīng)濟意義，但若要消費者花近1,000美元換一個(gè)LED燈，依然是很大的障礙。因此，目前仍以倉庫、車(chē)庫等支付大量照明電費的商業(yè)企業(yè)轉向LED照明的速度較快，而此費用的節省亦更加明顯。隨著(zhù)LED燈購買(mǎi)費用的下降，未來(lái)將有更多的消費者愿意轉向LED照明。

另一方面，同樣重要的一個(gè)因素是LED照明解決方案的尺寸。很多LED燈都是直接旋入燈座的，因此整個(gè)解決方案必須與原來(lái)使用的白熾燈有相同的形狀和體積。由于LED需要散熱器和許多復雜的驅動(dòng)器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣東西將可能是種挑戰。因此，消費者需要的是一個(gè)簡(jiǎn)單，且接腳面積精簡(jiǎn)的解決方案中，可提供所有功能的LED驅動(dòng)器IC。

維持電流穩定　隔離型反馳式LED控制器顯身手

為解決這些脫機式LED的所有驅動(dòng)難題，凌力爾特(Linear Technology)推出一款隔離型反馳式LED控制器LT3799，具主動(dòng)PFC，專(zhuān)門(mén)為在90～265VAC的通用輸入范圍內驅動(dòng)LED而設計。LT3799以關(guān)鍵傳導模式工作，最大限度縮減外部變壓器的尺寸，非常適用于驅動(dòng)功率從4瓦至數百瓦的多種LED應用。驅動(dòng)高達20瓦的LED的整個(gè)電路如圖1所示。這個(gè)特定電路可用Triac調光，且在90～265VAC的通用輸入范圍內，能提供高達1安培(A)的LED電流，同時(shí)提供超過(guò)86%的效率(圖2)。稍微改變一下外部組件，這個(gè)電路就可進(jìn)一步優(yōu)化，以在120、240、377VAC或幾乎任何常見(jiàn)的AC輸入情況下使用。

圖1 隔離型反馳式LED控制器電路范例

圖2 LT3799在通用輸入電壓范圍內的效率

LT3799運用單級設計，使整個(gè)LED驅動(dòng)電路(包括EMI濾波器)僅需要四十個(gè)外部組件，從而使該解決方案簡(jiǎn)單、接腳面積精簡(jiǎn)且具成本效益。圖1中的20W電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米，高度僅為30毫米，從而成為種類(lèi)繁多的LED應用的理想選擇。此外，其獨特的內部電路提供高達0.98的主動(dòng)PFC，容易滿(mǎn)足美國能源部(Department of Energy, DOE)的要求，同時(shí)還符合IEC 61000-3-2C類(lèi)照明設備諧波要求(圖3)。

圖3 具主動(dòng)PFC的LT3799VIN和IIN波形

在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內，LT3799還提供LED電流調節。在圖4中可看到當輸入從90VAC變到150VAC時(shí)，LED電流保持了±5%的穩定度。該組件用一個(gè)獨特的電流檢測電路取代光耦合器，以向二次側提供良好調節的電流。不僅降低成本，也改進(jìn)了可靠性。不僅如此，該組件還能與標準壁式Triac調光器一起使用，而不會(huì )產(chǎn)生任何可見(jiàn)閃爍。整合式的LED開(kāi)路和短路保護確保多種LED應用具有長(cháng)期可靠性。最后，其散熱強化型MSOP-16封裝有助于形成非常精小的LED驅動(dòng)器解決方案。

圖4 隨VIN(AC)變化LT3799對LED電流的調節

由脫機式電源供電所帶起的通用LED照明應用市場(chǎng)，已開(kāi)始出現空前的成長(cháng)，其背后的驅動(dòng)力，是市場(chǎng)對更高性能和具成本效益的照明應用需求。然而，這些新興的性能要求必須使用新的LED驅動(dòng)器IC才能滿(mǎn)足。而這些LED驅動(dòng)器必須提供電氣隔離、高效率、PFC和Triac調光能力。此外，不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，這些驅動(dòng)器還必須提供良好調節的LED電流，以保持一致的亮度，同時(shí)提供各種保護功能，以提高系統可靠性。而這些LED驅動(dòng)器電路也必須能構成非常精小和具成本效益的解決方案，幸運的是，目前已有廠(chǎng)商可供應這類(lèi)脫機式LED驅動(dòng)器了。