低電壓交流電LED照明驅(qū)動選擇及電路設(shè)計(jì)

低電壓交流電LED照明應(yīng)用興起

所有低電壓交流電照明系統(tǒng)使用的是一種獨(dú)立式主電源，這個(gè)主電源提供脫機(jī)交流電轉(zhuǎn)換成低電壓的方案，在任何負(fù)載下，即使電路處于開路的情況，其輸出均不會超過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(yīng)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(tǒng)或24伏特600瓦的系統(tǒng)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(yīng)用中，相當(dāng)受到青睞，該技術(shù)甚至可應(yīng)用在300瓦的LED照明功率中，相當(dāng)于三至四個(gè)街燈的輸出。此舉讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，亦或是在這兩者之間的設(shè)計(jì)?？纱_定的是，透過具彈性的LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)，將使照明系統(tǒng)從傳統(tǒng)白熾燈大步往前邁進(jìn)。

而在低壓交流電系統(tǒng)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(tǒng)中裝置一個(gè)大/高輸出設(shè)計(jì);其次為可支持十到二十個(gè)裝置于系統(tǒng)小燈源的中型輸出設(shè)計(jì);最后則是可允許在單一系統(tǒng)中存在五十到一百個(gè)照明器的小型輸出設(shè)計(jì)。

大型數(shù)組設(shè)計(jì)打造高燈源輸出應(yīng)用

以大型數(shù)組設(shè)計(jì)而言，在兩個(gè)不同的范圍中，立即能顯現(xiàn)出LED獨(dú)特設(shè)計(jì)的好處，特別是在更獨(dú)特的大型照明燈源例子中，可透過大型數(shù)組創(chuàng)造出高燈源輸出應(yīng)用。一般而言，在街燈的應(yīng)用(采用高電壓脫機(jī)解決方案)上會使用100瓦的LED燈源，雖然不建議其使用低電壓交流電系統(tǒng)(這會帶來整個(gè)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)置)，但設(shè)計(jì)者卻有機(jī)會以低電壓交流電的預(yù)算達(dá)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(biāo)準(zhǔn)LED著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，大致上以每個(gè)1.2瓦或約八十個(gè)LED為基礎(chǔ)。

為達(dá)到所期待的輸出電力，使用單一驅(qū)動器并使用多組串聯(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(shè)計(jì)規(guī)則，原因在于若支持個(gè)別控制每一個(gè)LED線路，首先遇到的問題為，LED和溫度有前饋的關(guān)系，當(dāng)溫度上升時(shí)，須嚴(yán)格控制順向電壓下降，以避免更多電流流動，進(jìn)一步使LED的溫度升高。其最大的影響就是在不同線路共享相同電流之下，將會很快產(chǎn)生搭配不當(dāng)?shù)膯栴}，若電流沒有被個(gè)別安排，以便通過整個(gè)線路，便很可能成為系統(tǒng)故障的來源。

利用在線設(shè)計(jì)工具尋找適合LED驅(qū)動器

如同前述，市場上有各式各樣的驅(qū)動器能符合需求。美國國家半導(dǎo)體(NS)就有幾款LED驅(qū)動器能夠達(dá)到所需的最大輸入范圍，同時(shí)也具備簡易設(shè)計(jì)的特性和效能表現(xiàn)。先從24VAC系統(tǒng)談起，此為最引人注意的特殊大型燈具，目前談及的驅(qū)動器都是直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，所以在主電源提供的交流電訊號將會有進(jìn)行一些整流的情形，基于此種情況，對轉(zhuǎn)換器的輸入條件須改為：

24VRMS=67.88VPP和在調(diào)整后驅(qū)動器最大的輸入電壓范圍34伏特。

就確實(shí)可知的條件來說，在此階段的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者心中可能已有一個(gè)特定的LED規(guī)格，而本文討論的所有設(shè)計(jì)，都可以使用如美國國家半導(dǎo)體的WEBEBCH LED Designer在線設(shè)計(jì)工具進(jìn)行開發(fā)，可以鍵入輸入電壓(34伏特直流電)、LED類型/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(qū)動九個(gè)LED組合而成的24VAC燈串，整流后為34伏特直流電(VDC)。而透過在線工具中的參數(shù)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)并沒有大量可支持的線路。在此情況下，僅有美國國家半導(dǎo)體的LM3401和LM3409兩款LED驅(qū)動器可作支持，若把LED的數(shù)量從九顆減少至八顆，在驅(qū)動器的選擇上才會增加。

值得注意的是，當(dāng)燈串的LED數(shù)量增加時(shí)，則須要經(jīng)由電壓的升壓來支持，現(xiàn)今大多低電壓交流電應(yīng)用的主要轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇榻祲恨D(zhuǎn)換器(輸出到LED的驅(qū)動電壓比輸入到轉(zhuǎn)換器的電壓還低)，這是對較少LED線路的主要觀點(diǎn)。

了解驅(qū)動器角色對癥下藥

一般來說，盡可能使用單一驅(qū)動器來驅(qū)動多個(gè)LED最符合成本效益，然并不主張?jiān)趩我或?qū)動器中使用并聯(lián)線路，而是希望串聯(lián)線路盡可能延長;其有利條件在于，即使線路受到嚴(yán)格規(guī)范和保護(hù)，亦可確保通過LED的電流皆相同。如此一來，一個(gè)較大的輸入電壓就能簡單驅(qū)動大量的LED線路，只是在經(jīng)過整流后，該線路通常會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(qū)動大量LED線路的負(fù)擔(dān)。

另一個(gè)觀點(diǎn)是，若燈串可維持低于二十個(gè)LED(Vf=3.5V和350mA的LED驅(qū)動電流)，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(dǎo)體任一款LM342X驅(qū)動器達(dá)到，它提供過壓/欠壓保護(hù)機(jī)制、電流限制，以及依需求選配的過熱保護(hù)功能。

此外，對于驅(qū)動器裝置特色的了解在電路設(shè)計(jì)上扮演重要的角色，如是否須支持脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光、模擬調(diào)光等，或是為改變光源輸出是否須加入一些光學(xué)要件及過熱保護(hù)，以上考慮均為選用何種驅(qū)動器的因素。

針對上述需求，LM3421/23驅(qū)動器具備阻止和察覺額外錯(cuò)誤警告的特色，對于欲達(dá)到高層級保護(hù)及提供微控制器(MCU)反應(yīng)的應(yīng)用來說，是很合適的組件。而LM3424內(nèi)建的過熱保護(hù)功能有利于光學(xué)或過熱保護(hù)應(yīng)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(qū)動器，但仍具有在升壓應(yīng)用中的過壓保護(hù)和電流限制，協(xié)助升壓檢測。

圖1所示為驅(qū)動二十個(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，電路也許會因?yàn)轫氁M(jìn)行模擬調(diào)光(當(dāng)輸入減少時(shí)光源的輸出就會降低)而有所改變，以符合簡單又全面受到保護(hù)的線路驅(qū)動器。如欲尋求更嚴(yán)格的顏色準(zhǔn)確度，可采用PWM調(diào)光。

圖1 大型數(shù)組設(shè)計(jì)應(yīng)用LM3429的升壓配置，采用24VAC系統(tǒng)，在電流為350毫安的條件下，可驅(qū)動二十個(gè)LED。

大電容方案降低漣波　延長電解質(zhì)電容壽命

有一個(gè)簡單的概念是應(yīng)用升壓解決方案來恢復(fù)以交流電整流驅(qū)動大量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，系統(tǒng)是如何在單一附件下拓展成每個(gè)線路都受到完整保護(hù)的高規(guī)格設(shè)計(jì)。

若進(jìn)一步采用四條這樣的電路，則每條線路均能達(dá)成完整保護(hù)和控制的100瓦設(shè)計(jì)目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)此一架構(gòu)，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(shè)計(jì)如果在低電壓系統(tǒng)下有300～600瓦的可用電力，25安培的總電流對設(shè)計(jì)人員而言就具有很多選擇。舉例來說，從D1～D4需要被規(guī)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(zhuǎn)換區(qū))，ΔE為可允許的漣波電壓，而f則是交流電頻率。由于此設(shè)計(jì)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(qū)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，將可適當(dāng)調(diào)整二級管整流器的規(guī)格。

另一方面，可接受的漣波也影響著電容的需求，舉例來說，執(zhí)行一個(gè)800毫安的輸入電流，且在120Hz線路上允許一個(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(hù)，故此情況下，大電容將是可能采取的選擇方案。