LED照明的低壓交流技術(shù)應(yīng)用

低壓交流照明系統(tǒng)

在過(guò)去的30年中，低壓交流照明設(shè)備已日趨普及。如今，從室內(nèi)局部照明到一般性的活動(dòng)式投射燈照明，再到如花園和景觀等戶外應(yīng)用照明中，此類照明系統(tǒng)隨處可見(jiàn)。像宜家家居和美國(guó)家得寶這樣的家居零售賣場(chǎng)和住宅美化商場(chǎng)極大推進(jìn)了該技術(shù)在消費(fèi)人群中的使用。這類低壓照明系統(tǒng)采用特殊低壓編碼規(guī)則，終端用戶可自行安裝而無(wú)需外部承包商。因此，這些系統(tǒng)相對(duì)便宜且易于安裝。

低壓交流照明尤其適用于LED照明應(yīng)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(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供了極大的靈活度——可以進(jìn)行相對(duì)較大的整體性單元設(shè)計(jì)，或者在單電源上設(shè)計(jì)多個(gè)小型燈具，或者兩者的組合?？梢源_定的是，相對(duì)于傳統(tǒng)白熾燈，基于LED的設(shè)計(jì)的靈活性得到了大幅提升。

設(shè)想一下在一個(gè)低壓交流系統(tǒng)上應(yīng)用三類不同的照明設(shè)備：一個(gè)大的/高輸出設(shè)計(jì)在每系統(tǒng)中僅能支持一個(gè)或兩個(gè)照明設(shè)備，一個(gè)中等輸出設(shè)計(jì)將在一個(gè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)則需要在一個(gè)單系統(tǒng)上支持大量（50～100個(gè)或更多）的燈具。

大型陣列設(shè)計(jì)

光譜終端最能體現(xiàn)出使用LED進(jìn)行設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)于越大型的單個(gè)照明設(shè)備，越有可能采用大陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的光輸出應(yīng)用。100W的LED燈通常會(huì)面向街燈照明應(yīng)用（采用高壓解決方案）。但我們并不建議您將低壓交流系統(tǒng)用于街燈照明（因?yàn)樗枰徽兹碌囊?guī)則和標(biāo)準(zhǔn)），但設(shè)計(jì)者有可能在一個(gè)低壓交流設(shè)計(jì)預(yù)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)80個(gè)LED燈。

為了達(dá)到預(yù)期的輸出效果，會(huì)有人試圖采用一個(gè)單驅(qū)動(dòng)器及多個(gè)串/并聯(lián)的LED燈的組合。我們通常會(huì)對(duì)此感到沮喪，因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)則只允許我們對(duì)每個(gè)LED燈串進(jìn)行單獨(dú)的控制。其原因如下：首先，LED和溫度間存在著正反饋的關(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(yán)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(tǒng)將很快出現(xiàn)故障。

以24VAC系統(tǒng)為例——24VAC系統(tǒng)是最常見(jiàn)的單個(gè)大型設(shè)備系統(tǒng)（稍后將分析原因）。我們討論的驅(qū)動(dòng)器均是DC/DC轉(zhuǎn)換器——所以要對(duì)主電源提供的交流信號(hào)進(jìn)行整流?；诖?，轉(zhuǎn)換器的輸入條件為：

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

了解準(zhǔn)確的供電情況后，在設(shè)計(jì)階段，腦海中就已經(jīng)有了一個(gè)特定的LED。正如我們?cè)谶@里討論的所有設(shè)計(jì)一樣，在WEBENCH LED Designer在線工具中簡(jiǎn)單鍵入輸入電壓、LED型號(hào)/值和想要的LED輸出配置即可。查看搜索工作會(huì)發(fā)現(xiàn)，似乎在該輸入范圍內(nèi)，任何參數(shù)都可以滿足設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器產(chǎn)品可以滿足上述條件。我們把LED的數(shù)量減少一個(gè)，變?yōu)?個(gè)，由此實(shí)現(xiàn)了更多選擇。

但更有趣的是，當(dāng)LED串由電壓支持，且LED串中LED的數(shù)目增多時(shí)，大多數(shù)低壓交流應(yīng)用系統(tǒng)中的首選的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為降壓轉(zhuǎn)換器——其驅(qū)動(dòng)LED的輸出電壓遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。這是適用于由少量LED組成的LED串的設(shè)計(jì)思路。

一般來(lái)說(shuō)，最節(jié)省成本的方式是用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)盡可能多的LED。由于我們不提倡使用單驅(qū)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(zhǎng)。串聯(lián)燈串的優(yōu)勢(shì)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(diào)節(jié)和保護(hù)。很顯然，更大的輸入電壓可以更輕松地驅(qū)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(shì)。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(diào)節(jié)所需的輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)由更多的LED組成的大LED串。

如果燈串內(nèi)的LED在20個(gè)以下（Vf=3.5V，LED驅(qū)動(dòng)電流為350mA的條件下）即在低壓限制的范圍內(nèi)（70VDC——在84.85VPP低壓限制內(nèi)）保持升壓輸出。使用LM342X可以輕松實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，并能提供大量保護(hù)機(jī)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(diào)制（PWM）調(diào)光？模擬調(diào)光？或是否希望結(jié)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(cè)報(bào)警功能，這讓其成為需要高保護(hù)水平和需求對(duì)微控制器提供反饋信息的應(yīng)用系統(tǒng)的理想選擇。LM3424內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)。

圖1所示為20個(gè)LED燈的串聯(lián)驅(qū)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(diào)光——光輸出會(huì)隨著輸入等級(jí)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(hù)的大串驅(qū)動(dòng)器。如果想要更高的彩色精確度，則可以使用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光。

圖1 升壓配置的LM3429可驅(qū)動(dòng)20個(gè)LED

簡(jiǎn)單地說(shuō)，升壓可以恢復(fù)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(nèi)驅(qū)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(shè)計(jì)中，該怎樣在單個(gè)電路中擴(kuò)展系統(tǒng)從而對(duì)LED串內(nèi)的每個(gè)LED進(jìn)行充分保護(hù)。使用4個(gè)類似電路就能實(shí)現(xiàn)100W的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并充分保護(hù)（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(tǒng)內(nèi)，300～600W的可用功率（和25A總電流）為設(shè)計(jì)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(shù)AC/DC轉(zhuǎn)換的前端基礎(chǔ)。

D1到D4必須設(shè)定額定值，以確定整個(gè)范圍內(nèi)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(jì)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(zhuǎn)換器部分），AE表示所容許的紋波電壓，f表示交流行頻。

因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)具有的效率可達(dá)92%，假設(shè)LED的功率為24.5W，這就意味著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(yīng)地確定整流二極管的尺寸，而容許紋波對(duì)所需的電容量中也至關(guān)重要。假設(shè)一個(gè)800mA的輸入電流，在120Hz（因?yàn)槭褂脴蚴秸?，所以?×60Hz）的電路上允許出現(xiàn)1V紋波，則需要約9300μF電容。使用3V紋波（9%在34VDC線路上）時(shí)，則僅需要約1500μF的電容。較少的紋波有助于延長(zhǎng)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(yùn)作，溫度每降低10℃壽命就會(huì)延長(zhǎng)一倍。也就是說(shuō)，如果一名設(shè)計(jì)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(zhǎng)16倍。這樣的話，額定壽命為5000小時(shí)的額定電容應(yīng)能持續(xù)使用80,000個(gè)小時(shí)。

良好的熱設(shè)計(jì)在LED應(yīng)用系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。對(duì)此類特殊設(shè)計(jì)，溫度最高的器件是轉(zhuǎn)換場(chǎng)效應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)在50℃以下。如何將LED燈而不是電子設(shè)備的上熱量排出去是您會(huì)一直面臨的最大挑戰(zhàn)。

小型陣列設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(xiàn)代LED產(chǎn)品的光效令1～3W的LED解決方案對(duì)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(tǒng)可為降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)提供充足的空間來(lái)高效地驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)品。櫥柜照明和陳列照明是低壓交流系統(tǒng)的另外的重要應(yīng)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(qū)動(dòng)LED。

圖2 LM3407在12VAC電源和350mA電流供給下驅(qū)動(dòng)單個(gè)3Vf LED

此處，AC/DC轉(zhuǎn)換與大型陣列設(shè)計(jì)的處理方式相同。在輸入電流至DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，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足需求。由于該設(shè)計(jì)消耗的功率很小（輸入端上1.5W多），因此可以在一個(gè)單獨(dú)的12VAC低壓電路中支持多達(dá)200個(gè)此類模塊。如果使用24VAC的系統(tǒng)，那么最多可支持超過(guò)250個(gè)模塊。

更小的負(fù)載設(shè)計(jì)需要的一個(gè)額外考量是初級(jí)端變壓器可能需要使用最少數(shù)量的負(fù)載來(lái)運(yùn)行。我們?cè)谖⑿偷凸南到y(tǒng)中限定此組件時(shí)，應(yīng)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(fù)載來(lái)確保準(zhǔn)確地運(yùn)作。LED裝置的效率可能讓人忽視一個(gè)問(wèn)題，要即相應(yīng)地確定主電源的大小。

中型陣列設(shè)計(jì)

在該電流級(jí)或更低電流級(jí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峁芾碓O(shè)計(jì)維護(hù)陣列會(huì)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)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(qū)動(dòng)器IC不得不面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。然而，在經(jīng)歷了幾個(gè)設(shè)計(jì)迭代后，很快將會(huì)出現(xiàn)一大批滿足這些要求的產(chǎn)品。您將發(fā)現(xiàn)很多集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）驅(qū)動(dòng)器的方案將在熱設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)問(wèn)題。

在這種情況下，許多集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）在30℃的環(huán)境溫度下，顯示出的結(jié)溫超過(guò)90℃，這令這些元件只有35℃的空間即會(huì)運(yùn)行在推薦的溫度范圍外（產(chǎn)品在150～160℃運(yùn)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(jī)械熱設(shè)計(jì)變得更為困難—因?yàn)槟F(xiàn)在需要確保LED不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

坦率的說(shuō)，60℃ delta的熱循環(huán)對(duì)多數(shù)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(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)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(yīng)晶體管一樣。

圖3 LM3409在12VAC電源供給下驅(qū)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(tǒng)溫度——溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PEFT）的最熱溫度可達(dá)53℃。LM3409自身的結(jié)溫為43℃（在30℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)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(xiàn)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(qū)動(dòng)應(yīng)用，它只需最少數(shù)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(diào)光控制，既可以（在EN引腳上）使用PWM，也可以使用模擬調(diào)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(xiàn)模擬調(diào)光，進(jìn)而使LED電流隨著降低的輸入電壓值而減弱。LM3409讓我們?cè)谠擃I(lǐng)域設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。如果需要絕對(duì)的色彩精度或要求具備其他獨(dú)特的調(diào)光功能，那么可以使用（由外部微控制器或類似控制器提供的）一個(gè)PWM信號(hào)；或者可以使用模擬IADJ引腳。

LM3409實(shí)際上擁有兩個(gè)電流監(jiān)控回路：一個(gè)通過(guò)高端電流感應(yīng)電阻器RSNS來(lái)設(shè)置，另外一個(gè)在ISENS上直接設(shè)置。設(shè)計(jì)者通過(guò)ISENS使用三種方式來(lái)利用模擬調(diào)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(shè)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(shè)置——1.2V都是最大輸出）；或者從一個(gè)引腳連接電位計(jì)到地面主動(dòng)地改變電流（始終達(dá)到RSNS設(shè)置的最大值）。

在這種情況下，我們可以在AC/DC轉(zhuǎn)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(tǒng)為16.97V，24VAC系統(tǒng)為33.94V）時(shí)選擇分壓器的數(shù)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(shù)值將會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)較低的輸出。請(qǐng)注意這樣做與使用驅(qū)動(dòng)器的不同之處。由于這些都屬于靜止型DC/DC穩(wěn)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(shì)，以便調(diào)節(jié)到一個(gè)設(shè)定的電壓或電流。如果未提供一個(gè)調(diào)光信號(hào)，那么電路將保持電流調(diào)節(jié)，直到輸入電壓接近輸出電壓為止（LED驅(qū)動(dòng)電壓）。輸出級(jí)別無(wú)變化直到輸入到達(dá)電路壓降區(qū)域（通常當(dāng)輸入電壓約比降壓穩(wěn)壓器內(nèi)電流所需的輸出電壓大約高1V時(shí)），在該點(diǎn)上它會(huì)因?yàn)殡妷合陆刀杆俳档洼敵觥?/p>

由于LM3409是溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管控制器且可以在100%的占空比下實(shí)現(xiàn)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(diào)光功能會(huì)線性地降低LED電流，因此我們應(yīng)在關(guān)閉電源之前允許一個(gè)完全可調(diào)光的設(shè)計(jì)的電壓值可一直下跌到欠壓鎖定值（或驅(qū)動(dòng)LED所需的最低電壓值）。

通過(guò)把變化電壓連接至調(diào)光功能，我們有效地折中了輸入線路抑制，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(diào)光功能到輸入電壓，我們已經(jīng)無(wú)須考慮LED驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。輸入線路上的任何瞬變都將在輸出上顯現(xiàn)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(diào)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(zhàn)。使用一個(gè)自耦調(diào)壓變壓器或其他交流低壓波形峰到峰減少的低壓調(diào)光器系統(tǒng)將非常有效。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件（TRIAC）調(diào)光系統(tǒng)需要使用額外的電路圖來(lái)解碼“斬波”波形的相位角。