洞悉驅動(dòng)器特性設計出低電壓AC的LED應用設計

低電壓交流電照明系統在市場(chǎng)上愈來(lái)愈受歡迎，從室內重點(diǎn)照明(Accent Lighting)到一般的軌道燈，乃至于應用在戶(hù)外照明系統。零售商和家居建材行如IKEA和Home Depot已經(jīng)將這些技術(shù)迅速而廣泛的傳達給顧客，使電源系統納入特定低電壓的使用規則，使用者便不必經(jīng)過(guò)承包商而能自行安裝。

低電壓交流電LED照明應用興起

所有低電壓交流電照明系統使用的是一種獨立式主電源，這個(gè)主電源提供離線(xiàn)交流電轉換成低電壓的方案，在任何負載下，即使電路處于開(kāi)路的情況，其輸出均不會(huì )超過(guò)30伏特有效值(VRMS)。其次，在所有狀況下，電路必須有一個(gè)25安培(A)的電流限制，這兩個(gè)條件將決定低電壓交流電照明應用的最大電力。典型的輸出電壓是12或24伏特交流電(VAC)，但仍須保持25安培最大電流值不變，不論是12伏特、300瓦(W)的系統或24伏特600瓦的系統皆是。

鑑于上述塬因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極體(LED)照明應用中，相當受到青睞，該技術(shù)甚至可應用在300瓦的LED照明功率中，相當于叁至四個(gè)街燈的輸出。此舉讓設計者在設計上擁有很大的彈性，可允許相對較大型的單一組件或由單一電源提供的多組態(tài)燈器設計，亦或是在這兩者之間的設計?？纱_定的是，透過(guò)具彈性的LED照明應用設計，將使照明系統從傳統白熾燈大步往前邁進(jìn)。

而在低壓交流電系統中，可考慮叁個(gè)不同的照明燈具，首先是僅在一到兩個(gè)個(gè)別系統中裝置一個(gè)大/高輸出設計;其次為可支援十到二十個(gè)裝置于系統小燈源的中型輸出設計；最后則是可允許在單一系統中存在五十到一百個(gè)照明器的小型輸出設計。

大型陣列設計打造高燈源輸出應用

以大型陣列設計而言，在兩個(gè)不同的範圍中，立即能顯現出LED獨特設計的好處，特別是在更獨特的大型照明燈源例子中，可透過(guò)大型陣列創(chuàng )造出高燈源輸出應用。一般而言，在街燈的應用(採用高電壓離線(xiàn)解決方案)上會(huì )使用100瓦的LED燈源，雖然不建議其使用低電壓交流電系統(這會(huì )帶來(lái)整個(gè)規則和標準的新設置)，但設計者卻有機會(huì )以低電壓交流電的預算達到同樣效果，進(jìn)而從一個(gè)3.5伏特的順向電壓和使用350毫安培電流的標準LED著(zhù)手進(jìn)行設計，大致上以每個(gè)1.2瓦或約八十個(gè)LED為基礎。

為達到所期待的輸出電力，使用單一驅動(dòng)器并使用多組串聯(lián)/并聯(lián)組合方式的LED方案便很有吸引力，但產(chǎn)業(yè)界通常不鼓勵此種設計規則，塬因在于若支持個(gè)別控制每一個(gè)LED線(xiàn)路，首先遇到的問(wèn)題為，LED和溫度有前饋的關(guān)係，當溫度上升時(shí)，須嚴格控制順向電壓下降，以避免更多電流流動(dòng)，進(jìn)一步使LED的溫度升高。其最大的影響就是在不同線(xiàn)路共享相同電流之下，將會(huì )很快產(chǎn)生搭配不當的問(wèn)題，若電流沒(méi)有被個(gè)別安排，以便通過(guò)整個(gè)線(xiàn)路，便很可能成為系統故障的來(lái)源。

利用線(xiàn)上設計工具尋找適合LED驅動(dòng)器

如同前述，市場(chǎng)上有各式各樣的驅動(dòng)器能符合需求。美國國家半導體(NS)就有幾款LED驅動(dòng)器能夠達到所需的最大輸入範圍，同時(shí)也具備簡(jiǎn)易設計的特性和效能表現。先從24VAC系統談起，此為最引人注意的特殊大型燈具，目前談及的驅動(dòng)器都是直流對直流(DC-DC)轉換器，所以在主電源提供的交流電訊號將會(huì )有進(jìn)行一些整流的情形，基于此種情況，對轉換器的輸入條件須改為：24VRMS=67.88VPP和在調整后驅動(dòng)器最大的輸入電壓範圍34伏特。

就確實(shí)可知的條件來(lái)說(shuō)，在此階段的設計上，設計者心中可能已有一個(gè)特定的LED規格，而本文討論的所有設計，都可以使用如美國國家半導體的 WEBEBCH LED Designer線(xiàn)上設計工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以鍵入輸入電壓(34伏特直流電)、LED類(lèi)型/值及所需的輸出組態(tài)。此外，在350毫安培和Vf=3.5伏特條件下，可驅動(dòng)九個(gè)LED組合而成的24VAC燈串，整流后為34伏特直流電(VDC)。而透過(guò)線(xiàn)上工具中的參數搜索工具，看似擁有許多適用的輸入範圍，然因工作週期的限制，其實(shí)并沒(méi)有大量可支援的線(xiàn)路。在此情況下，僅有美國國家半導體的LM3401和LM3409兩款LED驅動(dòng)器可作支援，若把LED的數量從九顆減少至八顆，在驅動(dòng)器的選擇上才會(huì )增加。

值得注意的是，當燈串的LED數量增加時(shí)，則須要經(jīng)由電壓的升壓來(lái)支援，現今大多低電壓交流電應用的主要轉換器拓撲為降壓轉換器(輸出到LED的驅動(dòng)電壓比輸入到轉換器的電壓還低)，這是對較少LED線(xiàn)路的主要觀(guān)點(diǎn)。

了解驅動(dòng)器角色對癥下藥

一般來(lái)說(shuō)，盡可能使用單一驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)多個(gè)LED最符合成本效益，然并不主張在單一驅動(dòng)器中使用并聯(lián)線(xiàn)路，而是希望串聯(lián)線(xiàn)路盡可能延長(cháng);其有利條件在于，即使線(xiàn)路受到嚴格規範和保護，亦可確保通過(guò)LED的電流皆相同。如此一來(lái)，一個(gè)較大的輸入電壓就能簡(jiǎn)單驅動(dòng)大量的LED線(xiàn)路，只是在經(jīng)過(guò)整流后，該線(xiàn)路通常會(huì )流失一半的交流電電壓值，故其優(yōu)勢大打折扣;為解決此一問(wèn)題，則可改採升壓解決方案(輸出電壓比輸入電壓大時(shí))，以減輕驅動(dòng)大量LED線(xiàn)路的負擔。

另一個(gè)觀(guān)點(diǎn)是，若燈串可維持低于二十個(gè)LED(Vf=3.5V和350mA的LED驅動(dòng)電流)，就能在低電壓限制下維持升壓輸出(在84.85VPP 的低電壓限制下有70VDC)，可經(jīng)由美國國家半導體任一款LM342X驅動(dòng)器達到，它提供過(guò)壓/欠壓保護機制、電流限制，以及依需求選配的過(guò)熱保護功能。

此外，對于驅動(dòng)器裝置特色的了解在電路設計上扮演重要的角色，如是否須支援脈衝寬度調變(PWM)調光、類(lèi)比調光等，或是為改變光源輸出是否須加入一些光學(xué)要件及過(guò)熱保護，以上考量均為選用何種驅動(dòng)器的因素。