掌握驅動(dòng)器特性　低電壓AC LED應用放光芒

　　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，用戶(hù)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)主電源提供脫機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。

　　鑒于上述原因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極管(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，相當于三至四個(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，可考慮三個(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；其次為可支持十到二十個(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。

　　大型數組設計打造高燈源輸出應用

　　以大型數組設計而言，在兩個(gè)不同的范圍中，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)大型數組創(chuàng )造出高燈源輸出應用。一般而言，在街燈的應用(采用高電壓脫機解決方案)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，原因在于若支持個(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)系，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。

　　利用在線(xiàn)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范圍，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)器最大的輸入電壓范圍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在線(xiàn)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)在線(xiàn)工具中的參數搜索工具，看似擁有許多適用的輸入范圍，然因工作周期的限制，其實(shí)并沒(méi)有大量可支持的線(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)器可作支持，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)支持，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)路受到嚴格規范和保護，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，則可改采升壓解決方案(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，如是否須支持脈沖寬度調變(PWM)調光、模擬調光等，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，以上考慮均為選用何種驅動(dòng)器的因素。

　　針對上述需求，LM3421/23驅動(dòng)器具備阻止和察覺(jué)額外錯誤警告的特色，對于欲達到高層級保護及提供微控制器(MCU)反應的應用來(lái)說(shuō)，是很合適的組件。而LM3424內建的過(guò)熱保護功能有利于光學(xué)或過(guò)熱保護應用(降低與LED溫度有關(guān)的輸出電流)；再者，LM3429雖為此系列產(chǎn)品最基本款的驅動(dòng)器，但仍具有在升壓應用中的過(guò)壓保護和電流限制，協(xié)助升壓檢測。

　　圖1所示為驅動(dòng)二十個(gè)LED，每一個(gè)平均電流均為350毫安，3.5伏特順向電壓的電路圖，此外，電路也許會(huì )因為須要進(jìn)行模擬調光(當輸入減少時(shí)光源的輸出就會(huì )降低)而有所改變，以符合簡(jiǎn)單又全面受到保護的線(xiàn)路驅動(dòng)器。如欲尋求更嚴格的顏色準確度，可采用PWM調光。

　　圖1 大型數組設計應用LM3429的升壓配置，采用24VAC系統，在電流為350毫安的條件下，可驅動(dòng)二十個(gè)LED。

　　大電容方案降低漣波　延長(cháng)電解質(zhì)電容壽命

　　有一個(gè)簡(jiǎn)單的概念是應用升壓解決方案來(lái)恢復以交流電整流驅動(dòng)大量LED燈串時(shí)損失的電壓，且仍保持在低壓限制中，這大約是前端消耗的27瓦(在92%效率下的24.5瓦LED)，故顯而易見(jiàn)，系統是如何在單一附件下拓展成每個(gè)線(xiàn)路都受到完整保護的高規格設計。

　　若進(jìn)一步采用四條這樣的電路，則每條線(xiàn)路均能達成完整保護和控制的100瓦設計目標，為實(shí)現此一架構，則可能在前端使用一個(gè)一般的整流器(只需要×4電流率的橋接二級管和C1/C2的×4電容)。此外，LED照明設計如果在低電壓系統下有300～600瓦的可用電力，25安培的總電流對設計人員而言就具有很多選擇。舉例來(lái)說(shuō)，從D1～D4需要被規范出最大電壓和電流的余量(Headroom)。輸出的電容可用下列方程式表示：

C=0.7(I)/ΔE(f)

　　其中，I代表到下游電路的輸入電流(直流對直流轉換區)，ΔE為可允許的漣波電壓，而f則是交流電頻率。由于此設計有92%的效率，鑒于LED功率為24.5瓦，這代表前端的直流對直流區將有26.6瓦的功率；而在整流(34VDC)后，從24VAC的電源使用26.6瓦并產(chǎn)生約782毫安的平均輸入電流，如此一來(lái)，將可適當調整二級管整流器的規格。

　　另一方面，可接受的漣波也影響著(zhù)電容的需求，舉例來(lái)說(shuō)，執行一個(gè)800毫安的輸入電流，且在120Hz線(xiàn)路上允許一個(gè)1伏特的漣波(因橋接整流器的關(guān)系為2×60Hz)需要9,300μF的大電容；如果是3伏特的漣波則只需要1,500μF，由于降低漣波對電解質(zhì)電容的壽命提供較佳的保護，故此情況下，大電容將是可能采取的選擇方案。

　　小型數組設計挑戰重重　降低電容溫度勢在必行　

　　另一個(gè)極端的設計范圍是小型數組設計，該設計可能是單一LED組件或是一個(gè)單獨的組件中包含三個(gè)組件，可讓1瓦變成3瓦的現代化LED照明效率解決方案，在環(huán)境和公園照明設備中頗受歡迎。

　　小型數組設計對105℃額定值的電容而言，讓它們保持冷卻在65℃及更低的溫度，為此設計中較薄弱的環(huán)節；不過(guò)，由于電解質(zhì)電容每低于額定溫度10℃，就能增加一倍的使用壽命，意味著(zhù)若一個(gè)設計師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長(cháng)十六倍的額定壽命，在此比率下，5,000小時(shí)的額定電容可延長(cháng)到80,000小時(shí)，對小型數組設計來(lái)說(shuō)，雖為極大的挑戰但仍勢在必行。

　　由此可證，良好的熱能設計在LED應用扮演關(guān)鍵角色，且使用有效率的驅動(dòng)器如LM3429，則使設計挑戰更容易解決。在此設計上，最熱門(mén)的裝置是單結型場(chǎng)效應晶體管(FET)M1開(kāi)關(guān)，其可達到約65℃的溫度表現，雖然并沒(méi)有多大影響，但是設計者必須確定它與其他重要熱源均與電解質(zhì)電容保持距離，且所有板上的組件都保持在50℃以下，可見(jiàn)從LED散出的熱能永遠是最大的挑戰，而不是電子學(xué)。

　　小型數組設計獲櫥柜/展示用照明青睞

　　櫥柜和展示用照明是低電壓交流電系統中，關(guān)于小型數組設計的另一個(gè)受歡迎應用，可考慮一個(gè)3伏特正向電壓、350毫安、1瓦的LED，搭載一個(gè)簡(jiǎn)單的12VAC系統，即可因降壓轉換器的架構提供充分余量，并可有效率的驅動(dòng)LED。如圖2所示，LM3407提供一個(gè)350毫安的輸出限制、小型封裝，和極少的外部組件，以驅動(dòng)此類(lèi)型的LED。由于低功率消耗的設計(在輸入端稍為超出1.5W)概念，可在一個(gè)單獨的低電壓12VAC電路支持多達兩百個(gè)模塊，若使用24VAC系統操作，則可超過(guò)兩百五十個(gè)(大部分低電壓系統的電流限制最大為25安培)。

　　圖2 符合小型數組設計的LM3407采用12VAC系統，可驅動(dòng)電流為350毫安的3Vf單一LED。
反觀(guān)交流對直流(AC-DC)的轉換則是以大型數組設計處理，基于直流對直流轉換區的輸入電流，可為輸入整流二極管和保持電容選擇適當值。在此設計中，小于100毫安的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容，因此，330μF將能輕易實(shí)現這樣的需求。

　　有一項額外考慮系針對較小負載設計而生，主要系一次側變壓器的工作可能需要某一個(gè)最低負荷，當處在非常小且低功耗的系統中，便須要特別考慮此問(wèn)題。以一個(gè)60瓦低電壓交流變壓器而言，可能需10瓦的負載才能正常運行，而LED裝置的效率可根據主電源的供應范圍處理該問(wèn)題。

　　舉例來(lái)說(shuō)，在美國國家半導體的RD-148參考設計中，運用LM3405A展示在12VAC系統下驅動(dòng)一個(gè)3.6Vf、600毫安的單一LED解決方案。而基于該參考設計架構的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模塊中，因其有較小的封裝尺寸(LM3405A采SOT23封裝)和極少的外部組件。透過(guò)RD-148的實(shí)例，將能簡(jiǎn)易實(shí)行一個(gè)尺寸為14毫米×21.5毫米的完整解決方案，甚至是更小的解決方案也可能實(shí)現。

　　實(shí)現中型數組系統　熱能管理至為關(guān)鍵

　　目前中型設計(中型數組，但許多個(gè)別系統)已提出最新的進(jìn)展，藉由使用單一封裝的較大多組件數組就能提高照明輸出，且有更好的效率和熱能管理技術(shù)。欲完成此種設計，可考慮一個(gè)10.5伏特的Vf暖白光數組，和一個(gè)典型的640毫安電流。值得注意的是，維持數組在典型的電流或適當的熱能管理設計，特別能延長(cháng)產(chǎn)品壽命，甚至是在高溫有害的環(huán)境中，雖然這對許多IC驅動(dòng)器是很困難的挑戰，但在市場(chǎng)需求的推動(dòng)之下，可預期不久之后就有大量符合此需求的產(chǎn)品出現。然而，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)設計循環(huán)后，產(chǎn)業(yè)界便發(fā)現許多整合FET的驅動(dòng)器，對于熱能設計有處理上的困難。

　　承續上述論點(diǎn)，許多整合FET的產(chǎn)品在30℃環(huán)境溫度下操作，其IC接面點(diǎn)溫度超過(guò)90℃，這代表組件在外部環(huán)境建議的操作溫度下，只有35℃的余量(到達150～160℃時(shí)就會(huì )進(jìn)入熱能關(guān)機，但最大的建議操作溫度是125℃)，這對熱能機械設計來(lái)說(shuō)是很難處理的，故須確保該情況不會(huì )在LED的應用上發(fā)生。

　　熱能挑戰迎刃而解　高整合控制器功不可沒(méi)

　　總括來(lái)說(shuō)，60℃溫差的熱能循環(huán)(從LED帽到焊接點(diǎn)，一直到驅動(dòng)板)在設計上并不完美。談到LED的使用壽命和可靠性，熱能永遠是必須解決的問(wèn)題，而圖3所示的LM3409控制器就是一個(gè)優(yōu)異的選擇，它能讓設計者透過(guò)各種外部組件將熱能排出，以一個(gè)低成本的P-Channel金屬氧化物半導體場(chǎng)效晶體管(PFET)外部組件為例，藉由使用LM3409就能顯著(zhù)降低系統溫度，而其中最熱的組件應該是53℃的PFET。

　　圖3 適合中型數組設計的LM3409采用12VAC系統，可驅動(dòng)640毫安電流和10.4伏特的LED數組封裝。

　　由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測試都在30℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，這表示其擁有充分的熱能余量，也使設計者更容易達到熱能設計的目標。此外，LM3409系一個(gè)高度整合的控制器，特別是用于固定電流的LED驅動(dòng)應用中，所以只需要少數的外部組件，便可以解決尺寸問(wèn)題和降低生產(chǎn)成本。

　　LM3409亦具有容易進(jìn)行調光控制的優(yōu)勢，不論是PWM調光(在EN接腳上)或是模擬調光，均可藉由一個(gè)電壓分壓器隔開(kāi)主要輸入軌來(lái)獲得模擬調光功能，如此一來(lái)，就能在輸入電壓直接降低時(shí)，連帶使LED電流下降，以達到設計彈性。其次，如果要求絕對色彩準確性或其他特殊的調光功能，則可使用PWM訊號(外部的微控制器或類(lèi)似裝置所提供)或是模擬IADJ接腳，完成此一需求。

　　另一方面，LM3409具有兩個(gè)有效的監視電流回路，一個(gè)是設置在高端電流感測電阻RSNS，另一個(gè)直接在ISENS。設計者有三個(gè)方法經(jīng)由ISENS來(lái)達到模擬調光，首先是透過(guò)ISENS開(kāi)路以讓RSNS控制LM3409；再者系提供接腳一個(gè)從0～1.24伏特的外部電壓(由RSNS設置時(shí)1.2伏特是最大輸出)；或可從接腳到地面連結一個(gè)分壓器以改變電流(永遠將RSNS設置到最大)。

　　透過(guò)以上三種方式，在交流電轉換成直流電后，經(jīng)由電壓分壓器到主輸入軌就能輕易連結；不過(guò)若選擇電壓分配器在1.24伏特時(shí)，則可擁有最大的輸入電壓(12VAC系統16.97V，24VAC系統33.94V)，因此，當輸入電壓較低時(shí)，理所當然會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較低的光源輸出。

　　而值得討論的是，該情況與不具典型調光裝置驅動(dòng)器的差別，或沒(méi)有這個(gè)連結的話(huà)，LM3409將如何表現。

　　由于上述情況均是針對直流對直流的調節器，所以會(huì )有輸入到輸出改變的自然情形，有鑒于此，想要對一個(gè)固定的電壓或電流加以控制的想法便應運而生。舉例來(lái)說(shuō)，若不提供一個(gè)調光訊號，電路就會(huì )嘗試維持電流的規格，直到輸入電壓接近輸出電壓(LED驅動(dòng)電壓)，且輸出電平將不會(huì )改變，直到輸入端進(jìn)入電路訊號損耗區(通常是在降壓調節器運作下驅動(dòng)電流時(shí)，輸入的伏特數高于所要求的輸出)，當輸入電壓開(kāi)始下降時(shí)，輸出電壓也隨著(zhù)快速減少。

　　反觀(guān)在PFET控制器的調節下，LM3409只有小范圍的改變，能夠在整個(gè)工作周期下，維持非常低的損失，其使用模擬調光功能可以線(xiàn)性方式降低LED電流，使LED具備可調光的設計，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉前達到欠壓鎖定設定(或者可以用極小的輸出電壓驅動(dòng)LED)。藉由改變電壓的方式來(lái)達到調光功能，已能有效的控制輸入線(xiàn)路，而在交流對直流的前端，則需要額外的電容以達到光源輸出后，所造成的輸入漣波最小化。

　　此外，透過(guò)直接鏈接調光功能到輸入電壓，可不須顧慮LED驅動(dòng)器的穩定度。除非充分過(guò)濾，否則輸入線(xiàn)路的任何暫時(shí)狀態(tài)都會(huì )顯示在輸出上。因此，該連結方式較不受到支持，除非須要使用調光功能，讓IADJ維持開(kāi)路。

　　另一方面，低電壓TRIAC調光裝置也可能會(huì )帶來(lái)設計上的挑戰。使用調壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調光系統，若使用類(lèi)似的電路就可以良好的運作，不過(guò)，TRIAC調光系統需要額外的電路用以適當的譯碼截波波形。

　　低電壓交流電系統結合LED　照明解決方案大小通吃

　　總結而言，低電壓交流電系統結合LED照明效能，可提供設計者創(chuàng )造各式各樣從小型到大型照明解決方案的能力。美國國家半導體擁有適用于24VAC和12VAC系統廣泛的產(chǎn)品組合，以協(xié)助實(shí)現其設計，在五花八門(mén)的產(chǎn)品陣容下，決定使用那種解決方案則取決于組件的特色，以及所需的解決方案尺寸。

　　尤其須要注意的是，整體系統的設計須透過(guò)現今驅動(dòng)器的一些特性與進(jìn)展，才能作出正確的決定，并使設計變得更簡(jiǎn)易、更健全和有效降低成本。擁有完備的解決方案知識，將能夠進(jìn)一步實(shí)現兼具快速及成本效益的解決方案，亦讓設計人員擁有許多可用的選擇。

　　不僅如此，低電壓交流電LED在簡(jiǎn)化設計方面也提供穩定的電路分析，有關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)都能節省設計時(shí)間和金錢(qián)，同時(shí)也能提升產(chǎn)品的可靠性。