離線式 LED 應(yīng)用未必對 LED 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成挑戰(zhàn)

背景
    高亮度 LED 能降低功耗、具有很長的壽命以及更多益處，不斷促進(jìn)多種照明應(yīng)用的發(fā)展，因此 LED市場持續(xù)加速增長就毫不意外了。根據(jù) Strategies Unlimited 公司的研究，到 2010 年末，高亮度 LED 的市場規(guī)模達(dá)到了 82 億美元，到 2015 年將增長到 202 億美元，年復(fù)合增長率為 30.6%。在過去幾年中，用來給顯示器提供背光照明的 LED 一直是驅(qū)動(dòng) LED 市場增長的主要因素。不過，通用照明 LED 應(yīng)用在商用和住宅市場吸引力越來越大，這也進(jìn)一步加速了 LED 市場的增長。全球市場情報(bào)供應(yīng)商 LEDinside 在研究報(bào)告中寫道：“2010 年，商用高流明 LED 照明系統(tǒng)出現(xiàn)了巨大增長。這是因?yàn)?，就大多?shù)消費(fèi)者而言，家用 LED 照明仍然太過昂貴。LED 照明能帶來長期益處，具有節(jié)能和環(huán)保屬性，加上相關(guān)的減稅政策，因此在停車場、辦公室、工廠、倉庫等商用領(lǐng)域，LED 照明的使用量將出現(xiàn)巨大增長。LED 燈不僅可以取代高壓鈉燈、鹵素?zé)艉?strong>白熾燈，而且在某些領(lǐng)域還能取代 CFL 和熒光燈。”LEDinside 進(jìn)一步估計(jì)道：“2010 年和 2011 年，LED 商用照明將迅速增長并得到廣泛采用，同時(shí)直到 2011 年或 2012 年，家用照明 LED 都不會(huì)流行，2012 年是關(guān)鍵的一年。預(yù)計(jì) 2010 年 LED 光源的市場滲透率能達(dá)到 3.7%，而 2009 年至 2013 年的年復(fù)合增長率估計(jì)為 32%。”

在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的 25% 至 40%，因此商用應(yīng)用引領(lǐng)向 LED 的轉(zhuǎn)變應(yīng)該是毫不意外的結(jié)果。因?yàn)檫@類應(yīng)用需要高強(qiáng)度、長時(shí)間照明，所以節(jié)省電能導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)回報(bào)是相對短期的。另外，LED 附屬裝置壽命很長，因此極大地降低了 LED 燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈本身的成本，還包括動(dòng)手更換照明燈的勞動(dòng)成本，而在某些應(yīng)用中，如高頂燈照明應(yīng)用，勞動(dòng)成本這一項(xiàng)是很高的。另一方面，就大多數(shù)消費(fèi)者而言，通用的家用 LED 照明目前仍然太過昂貴。不過，未來幾年，隨著 LED 附屬裝置價(jià)格下降和 LED 更加廣泛地供貨，照明市場在住宅領(lǐng)域也將出現(xiàn)大幅增長。大多數(shù)分析師都預(yù)計(jì)，住宅細(xì)分市場 2011 年將適度增長，而 2012 年及以后將加速增長。

正如前面提到的那樣，LED 照明市場高增長率背后的主要驅(qū)動(dòng)因素是，與傳統(tǒng)照明方式相比，LED 照明能極大地降低功耗。與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出量 (以流明為單位)，LED 需要的電功率不到白熾燈的 20%。如表 1 所示，LED 照明還有更多優(yōu)勢，但也有更多挑戰(zhàn)。LED 的優(yōu)勢包括壽命比白熾燈高幾個(gè)位量級(jí)，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的 TRIAC 調(diào)光器給 LED 調(diào)光也是一個(gè)主要的優(yōu)勢，尤其是在住宅照明市場。LED 燈即時(shí)接通，無需像 CFL 那樣的預(yù)熱時(shí)間，而且 LED 燈對電源周期不敏感，這一點(diǎn)也與 CFL 燈不同。此外，LED 照明的附屬裝置不含任何需要控制或處理的有毒材料，而 CFL 采用有毒水銀蒸氣工作。最后，LED 可實(shí)現(xiàn)新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術(shù)則不可能做到。

表 1：LED、CFL 和白熾燈光源比較

此類新型 LED 照明應(yīng)用所涉及的范圍非常之廣，從 4W 的擰入式可替換型白熾燈泡到100W 的街燈、再到需要幾百瓦功率的高棚燈等。大多數(shù)這些 LED 燈將需要依靠現(xiàn)有的 AC 離線式電源 (視終端應(yīng)用所處地理位置的不同，通常為 90VAC 至 265VAC) 來工作。為了獲得從 AC 離線式電源來高效驅(qū)動(dòng) LED 的能力，產(chǎn)生了一些相當(dāng)獨(dú)特的 LED IC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)難題。

LED 驅(qū)動(dòng)器不僅必須提供最高效率以確保節(jié)省功率，而且出于安全考慮，還必須提供電氣隔離。此外，LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供功率因數(shù)校正 (PFC) 和低諧波失真性能，以適用于多種應(yīng)用。不僅如此，在很多住宅應(yīng)用中，LED 驅(qū)動(dòng)器還必須提供用現(xiàn)有 TRIAC 調(diào)光器調(diào)光的能力。最后，解決方案的總體占板面積必須非常小，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，解決方案還必須具成本效益，以吸引商用和住宅用戶用 LED 燈更換現(xiàn)有照明燈。有能夠滿足所有這些要求的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 可用，對 LED 照明的不斷采用是至為重要的。

LED 照明計(jì)算
    LED 照明市場迅速增長背后的主要驅(qū)動(dòng)力之一是，與白熾燈甚至 CFL 照明相比，LED 燈能極大地節(jié)省功率。因此，研究一下用現(xiàn)有 LED 能節(jié)省的功率以及未來幾年內(nèi)功率將怎樣進(jìn)一步節(jié)省是有意義的。

60W 白熾燈：
    提供約 800 流明，可轉(zhuǎn)換為 13.3 lms/W (流明/瓦)。

現(xiàn)有 LED：
    就商用產(chǎn)品而言，目前的效率在 50 lms/W 至 170 lms/W 之間。

未來的 LED：
    將提供范圍為 200 lms/W 至 230 lms/W 的效率。然而，最大的理論效率約為 250 lms/W。

就照明用途而言，我們來考慮一下 100 lms/W 的 LED。LED 本身所需要的電功率為 800 流明/100 lms/W = 8W。不過，AC/DC LED 驅(qū)動(dòng)電子線路的效率也必須考慮在內(nèi)，就高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器而言，這個(gè)效率為 85%。因此，離線式電源所需的總功率為 8W/0.85 = 9.4W，從而與白熾燈相比，功率節(jié)省了 84%。如果用 65 lms/W 這個(gè)更加保守的數(shù)字，那么相對于白熾燈耗用的功率而言，LED 功率可降低 75%。展望未來，當(dāng)提供 200 lms/W 的 LED 可用時(shí)，功率將節(jié)省多達(dá) 92%。為了滿足目前能源之星的要求，相對于標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，LED 燈的功率必須降低至少 75%，才能取代白熾燈。

用離線式電源為 LED 供電
    能用離線式電源驅(qū)動(dòng) LED 就可使應(yīng)用越來越快地增加，因?yàn)樵谏逃媒ㄖ妥≌校煞浅１憷氐玫竭@種形式的電源。盡管 LED 燈的附屬裝置相對簡單，最終用戶非常容易安裝，但是對 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的要求卻極大地提高了。因?yàn)?LED 需要一個(gè)良好調(diào)節(jié)的恒定電流源，以提供恒定的光輸出，所以用 AC 輸入源給 LED 供電需要一些特殊的設(shè)計(jì)方法，要滿足一些非常特別的設(shè)計(jì)需求。

在世界上不同地區(qū)，離線式電源參數(shù)可能不同，一般在 90VAC 至 265VAC之間，頻率則為 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市場的 LED 附屬裝置，最好擁有這樣一個(gè)電路設(shè)計(jì)：無需修改就能使 LED 用在全球任何地方。這就需要單一 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 能處理多種輸入電壓和頻率。

此外，很多離線式 LED 應(yīng)用需要 LED與驅(qū)動(dòng)電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這主要出于安全考慮，是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的。電氣隔離一般由隔離型反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)溥\(yùn)用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端和副端。

由于采用 LED 照明的驅(qū)動(dòng)力是，提供特定光輸出量所需的功率可極大地降低，因此當(dāng)務(wù)之急是，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 要提供最高效率。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器電路必須將高壓 AC 電源轉(zhuǎn)換為更低的電壓和良好調(diào)節(jié)的 LED 電流，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為，提供高于 80% 的效率，以不浪費(fèi)功率。

而且，為了在住宅應(yīng)用中常見的 TRIAC 調(diào)光器已經(jīng)大量安裝到位的情況下使 LED 花樣翻新燈成為可能，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須與這些調(diào)光器一起高效運(yùn)作。TRIAC 調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫O(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的阻性負(fù)載。然而，LED 驅(qū)動(dòng)器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在 AC 輸入電壓處于其正峰值和負(fù)峰值時(shí)通常吸收高強(qiáng)度的峰值電流。因此，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須通過設(shè)計(jì)來“模仿”一個(gè)純阻性負(fù)載，以確保 LED 在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動(dòng)，并利用一個(gè) TRIAC 進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

就 LED 照明而言，PFC 是一個(gè)重要的性能規(guī)格。簡言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么功率校正因數(shù)為 1。因?yàn)榘谉霟羰且环N理想的電阻性負(fù)載，所以輸入電流和電壓同相，且 PFC 為 1。PFC 特別重要，因?yàn)樗c本地電力供應(yīng)商所需提供的電功率有關(guān)。也就是說，在一個(gè)電力系統(tǒng)中，與一個(gè)具有高功率因數(shù)的負(fù)載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下，一個(gè)具有低功率因數(shù)的負(fù)載吸取更大的電流。因?yàn)樗桦娏鬏^高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，這反過來又需要更粗的導(dǎo)線和其他傳輸設(shè)備。較大的設(shè)備和能源浪費(fèi)增加了成本，所以電力公司通常對功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費(fèi)用。LED 應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)仍然處于開發(fā)之中，不過大多數(shù)人相信，就 LED 照明應(yīng)用而言，將要求 PFC > 0.90。

LED 驅(qū)動(dòng)器電路 (包括大量二極管、變壓器和電容器) 的表現(xiàn)不像一個(gè)純電阻性負(fù)載，其 PFC 可能低至 0.5。為了將 PFC 提高到 0.9 以上，有源或無源 PFC 電路都必須設(shè)計(jì)到 LED 驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)。還應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，在采用數(shù)百個(gè)以上 50W LED 燈的應(yīng)用中，高 PFC 尤其重要，在這種情況下，高 PFC (>0.95) LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是有益的。

除了高 PFC，還有一點(diǎn)也很重要，那就是最大限度地降低 LED 附屬裝置的諧波失真。國際電工委員會(huì) (IEC) 已經(jīng)制定了 C 類照明設(shè)備諧波性能規(guī)范 IEC 61000-3-2，以確保新的 LED 照明附屬裝置滿足低失真要求。

在照明應(yīng)用中，能在較寬的線電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié) LED 電流是至關(guān)重要的，因?yàn)?LED 亮度的變化必須是人眼難以察覺的。類似地，為了確保 LED 有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅(qū)動(dòng) LED 是很重要的。在隔離型反激式應(yīng)用中，LED 電流的調(diào)節(jié)不總是直接進(jìn)行的，常常需要一個(gè)光耦合器來閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換級(jí)。然而，這兩種方法都帶來了復(fù)雜性和可靠性問題。幸運(yùn)的是，有些 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的設(shè)計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法，無需這些額外的組件或不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié) LED 電流。

最后，要從白熾燈迅速向 LED 燈轉(zhuǎn)變，最大的障礙是基于 LED 的解決方案的成本和尺寸。消費(fèi)者習(xí)慣于花不到 1.00 美元換一個(gè) 60W 白熾燈，花大約 3.00 美元換一個(gè) CFL 燈?；?30 多美元換一個(gè) LED 燈，對消費(fèi)者來說是一個(gè)很大的障礙?？紤]到在 LED 的壽命期內(nèi)電力成本和更換成本的降低，以這樣的價(jià)格換一個(gè) LED 燈確實(shí)有經(jīng)濟(jì)意義，但是消費(fèi)者不習(xí)慣于這樣聯(lián)系起來看問題?？傊?，倉庫、車庫等支付大量照明電費(fèi)的商業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)向 LED 照明的速度快得多，因?yàn)橘M(fèi)用節(jié)省更加明顯。隨著 LED 燈購買費(fèi)用的下降，將有更多的消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向 LED 照明。

同樣重要的一個(gè)因素是 LED 照明解決方案的尺寸。很多 LED 燈都是直接旋入燈座的，因此整個(gè)解決方案必須與原來使用的白熾燈有相同的形狀和體積。由于 LED 需要散熱器和復(fù)雜得多的驅(qū)動(dòng)器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣?xùn)|西可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，人們需要的將是這樣的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC：能在一個(gè)簡單和占板面積緊湊的解決方案中提供所有這些需要的功能。

一種全新的解決方案
    幸運(yùn)的是，一種新的解決方案，凌力爾特的 LT3799，可以解決這些離線式 LED 的所有驅(qū)動(dòng)難題。該器件是一款隔離型反激式 LED 控制器，具有源 PFC，專門為在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng) LED 而設(shè)計(jì)。LT3799 以關(guān)鍵傳導(dǎo)模式工作，最大限度地減小了外部變壓器的尺寸。它非常適用于驅(qū)動(dòng)功率從 4W 至數(shù)百瓦的多種 LED 應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20W 的 LED 的整個(gè)電路如圖 1 所示。這個(gè)特定電路可用 TRIAC 調(diào)光，且在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)，能提供高達(dá) 1A 的 LED 電流，同時(shí)提供超過 86% 的效率 (參見圖 2)。稍微改變一下外部組件，這個(gè)電路就可以進(jìn)一步優(yōu)化，以在 120VAC、240VAC 甚至 377VAC 或幾乎任何常見的 AC 輸入情況下使用。
 

圖 1：采用了 LT3799 并具 PFC 和 TRIAC 調(diào)光的通用輸入、隔離型反激式 LED 控制器電路

    LT3799 運(yùn)用單級(jí)設(shè)計(jì)，整個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)電路 (包括 EMI 濾波器) 僅需要 40 個(gè)外部組件，從而使該解決方案簡單、占板面積緊湊且具成本效益。圖 1 中的 20W 電路的總尺寸僅為 30mm x 75mm，高度僅為 30mm，從而成為種類繁多的 LED 應(yīng)用的理想選擇。

圖 2：LT3799 在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率

LT3799 采用獨(dú)特的內(nèi)部電路提供高達(dá) 0.98 的有源 PFC，從而非常容易滿足美國能源部 (Department of Energy - DOE) 的要求，同時(shí)還符合 IEC 61000-3-2 C 類照明設(shè)備諧波要求 (參見圖 3)。

圖 3：具有源 PFC 的 LT3799 V_IN 和 I_IN 波形

此外，在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)，LT3799 還提供 LED 電流調(diào)節(jié)。在圖 4 中可以看到，當(dāng)輸入從 90VAC 變到 150VAC 時(shí)，正如大多數(shù)美國照明應(yīng)用所要求的那樣，LED 電流保持了 ±5% 的穩(wěn)定度。LT3799 用一個(gè)獨(dú)特的電流檢測電路取代了光耦合器，以向副端提供良好調(diào)節(jié)的電流。這不僅降低了成本，還改進(jìn)了可靠性。

圖 4：隨 V_IN (AC) 變化 LT3799 對 LED 電流的調(diào)節(jié)

LT3799 還能與標(biāo)準(zhǔn)壁式 TRIAC 調(diào)光器一起使用，而不會(huì)產(chǎn)生任何可見閃爍。集成的 LED開路和短路保護(hù)確保多種 LED 應(yīng)用具有長期可靠性。最后，其耐熱增強(qiáng)型 MSOP-16 封裝有助于形成非常緊湊的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。

結(jié)論
    由離線式電源供電的通用 LED 照明應(yīng)用市場出現(xiàn)了前所未有的加速增長，其背后的驅(qū)動(dòng)力是對更高性能和具成本效益的照明應(yīng)用之持續(xù)需求。然而，這些新出現(xiàn)的性能要求必須使用新的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 才能滿足。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供電氣隔離、高效率、PFC 和 TRIAC 調(diào)光能力。此外，不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，這些驅(qū)動(dòng)器還必須提供良好調(diào)節(jié)的 LED 電流，以保持一致的亮度，同時(shí)提供各種保護(hù)功能，以提高系統(tǒng)可靠性。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器電路還必須能構(gòu)成非常緊湊和具成本效益的解決方案。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類離線式 LED 驅(qū)動(dòng)器了。