面向 LED 照明的低壓交流應(yīng)用

低壓交流照明系統(tǒng)
在過去的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。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。可以確定的是，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。

一般來說，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)，并通過調(diào)節(jié)所需的輸出電壓來驅(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)或熱反饋來改變我的光輸出情況？這些問題都有助于進(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