小型陣列設(shè)計獲櫥柜/展示用照明青睞 - 如何洞悉驅(qū)動器特性設(shè)計出低電壓AC的LED應(yīng)用

　　小型陣列設(shè)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(tǒng)中，關(guān)于小型陣列設(shè)計的另一個受歡迎應(yīng)用，可考慮一個3伏特正向電壓、350毫安培、1瓦的LED，搭載一個簡單的12VAC系統(tǒng)，即可因降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)提供充分余量，并可有效率的驅(qū)動LED。如圖2所示，LM3407提供一個350毫安培的輸出限制、小型封裝，和極少的外部元件，以驅(qū)動此類型的LED。由于低功率消耗的設(shè)計（在輸入端稍為超出1.5W）概念，可在一個單獨的低電壓12VAC電路支援多達兩百個模組，若使用24VAC系統(tǒng)操作，則可超過兩百五十個（大部分低電壓系統(tǒng)的電流限制最大為25安培）。

　　圖2 符合小型陣列設(shè)計的LM3407採用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動電流為350毫安培的3Vf單一LED。

　　反觀交流對直流（AC-DC）的轉(zhuǎn)換則是以大型陣列設(shè)計處理，基于直流對直流轉(zhuǎn)換區(qū)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(shè)計中，小于100毫安培的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容，因此，330μF將能輕易實現(xiàn)這樣的需求。

　　有一項額外考慮係針對較小負載設(shè)計而生，主要係一次側(cè)變壓器的工作可能需要某一個最低負荷，當處在非常小且低功耗的系統(tǒng)中，便須要特別考量此問題。以一個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(jù)主電源的供應(yīng)範圍處理該問題。

　　舉例來說，在美國國家半導體的RD-148參考設(shè)計中，運用LM3405A展示在12VAC系統(tǒng)下驅(qū)動一個3.6Vf、600毫安培的單一LED解決方案。而基于該參考設(shè)計架構(gòu)的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模組中，因其有較小的封裝尺寸（LM3405A採SOT23封裝）和極少的外部元件。透過RD-148的實例，將能簡易實行一個尺寸為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現(xiàn)。

　　實現(xiàn)中型陣列系統(tǒng)　熱能管理至為關(guān)鍵

　　目前中型設(shè)計（中型陣列，但許多個別系統(tǒng)）已提出最新的進展，藉由使用單一封裝的較大多組件陣列就能提高照明輸出，且有更好的效率和熱能管理技術(shù)。欲完成此種設(shè)計，可考慮一個10.5伏特的Vf暖白光陣列，和一個典型的640毫安培電流。值得注意的是，維持陣列在典型的電流或適當?shù)臒崮芄芾碓O(shè)計，特別能延長產(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(qū)動器是很困難的挑戰(zhàn)，但在市場需求的推動之下，可預(yù)期不久之后就有大量符合此需求的產(chǎn)品出現(xiàn)。然而，在經(jīng)過幾個設(shè)計循環(huán)后，產(chǎn)業(yè)界便發(fā)現(xiàn)許多整合FET的驅(qū)動器，對于熱能設(shè)計有處理上的困難。

　　承續(xù)上述論點，許多整合FET的產(chǎn)品在30℃環(huán)境溫度下操作，其IC接面點溫度超過90℃，這代表元件在外部環(huán)境建議的操作溫度下，只有35℃的余量（到達150～160℃時就會進入熱能關(guān)機，但最大的建議操作溫度是125℃），這對熱能機械設(shè)計來說是很難處理的，故須確保該情況不會在LED的應(yīng)用上發(fā)生。

　　熱能挑戰(zhàn)迎刃而解　高整合控制器功不可沒

　　總括來說，60℃溫差的熱能循環(huán)（從LED帽到焊接點，一直到驅(qū)動板）在設(shè)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題，而圖3所示的LM3409控制器就是一個優(yōu)異的選擇，它能讓設(shè)計者透過各種外部元件將熱能排出，以一個低成本的P-Channel金屬氧化物半導體場效電晶體（PFET）外部元件為例，藉由使用LM3409就能顯著降低系統(tǒng)溫度，而其中最熱的元件應(yīng)該是53℃的PFET。

　　圖3 適合中型陣列設(shè)計的LM3409採用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動640毫安培電流和10.4伏特的LED陣列封裝。

　　由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測試都在30℃環(huán)境溫度下進行，這表示其擁有充分的熱能余量，也使設(shè)計者更容易達到熱能設(shè)計的目標。此外，LM3409係一個高度整合的控制器，特別是用于固定電流的LED驅(qū)動應(yīng)用中，所以只需要少數(shù)的外部元件，便可以解決尺寸問題和降低生產(chǎn)成本。

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

　　另一方面，LM3409具有兩個有效的監(jiān)視電流迴路，一個是設(shè)置在高端電流感測電阻RSNS，另一個直接在ISENS。設(shè)計者有叁個方法經(jīng)由ISENS來達到類比調(diào)光，首先是透過ISENS開路以讓RSNS控制LM3409；再者係提供接腳一個從0～1.24伏特的外部電壓（由RSNS設(shè)置時1.2伏特是最大輸出）；或可從接腳到地面連結(jié)一個分壓器以改變電流（永遠將RSNS設(shè)置到最大）。

　　透過以上叁種方式，在交流電轉(zhuǎn)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(jié)；不過若選擇電壓分配器在1.24伏特時，則可擁有最大的輸入電壓（12VAC系統(tǒng)16.97V，24VAC系統(tǒng)33.94V），因此，當輸入電壓較低時，理所當然會產(chǎn)生一個較低的光源輸出。

　　而值得討論的是，該情況與不具典型調(diào)光裝置驅(qū)動器的差別，或沒有這個連結(jié)的話，LM3409將如何表現(xiàn)。

　　由于上述情況均是針對直流對直流的調(diào)節(jié)器，所以會有輸入到輸出改變的自然情形，有鑑于此，想要對一個固定的電壓或電流加以控制的想法便應(yīng)運而生。舉例來說，若不提供一個調(diào)光訊號，電路就會嘗試維持電流的規(guī)格，直到輸入電壓接近輸出電壓（LED驅(qū)動電壓），且輸出電平將不會改變，直到輸入端進入電路訊號損耗區(qū)（通常是在降壓調(diào)節(jié)器運作下驅(qū)動電流時，輸入的伏特數(shù)高于所要求的輸出），當輸入電壓開始下降時，輸出電壓也隨著快速減少。

　　反觀在PFET控制器的調(diào)節(jié)下，LM3409只有小範圍的改變，能夠在整個工作週期下，維持非常低的損失，其使用類比調(diào)光功能可以線性方式降低LED電流，使LED具備可調(diào)光的設(shè)計，在開關(guān)關(guān)閉前達到欠壓鎖定設(shè)定（或者可以用極小的輸出電壓驅(qū)動LED）。藉由改變電壓的方式來達到調(diào)光功能，已能有效的控制輸入線路，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，透過直接連結(jié)調(diào)光功能到輸入電壓，可不須顧慮LED驅(qū)動器的穩(wěn)定度。除非充分過濾，否則輸入線路的任何暫時狀態(tài)都會顯示在輸出上。因此，該連結(jié)方式較不受到支持，除非須要使用調(diào)光功能，讓IADJ維持開路。

　　另一方面，低電壓TRIAC調(diào)光裝置也可能會帶來設(shè)計上的挑戰(zhàn)。使用調(diào)壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調(diào)光系統(tǒng)，若使用類似的電路就可以良好的運作，不過，TRIAC調(diào)光系統(tǒng)需要額外的電路用以適當?shù)慕獯a截波波形。

　　低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED　照明解決方案大小通吃

　　總結(jié)而言，低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED照明效能，可提供設(shè)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(tǒng)廣泛的產(chǎn)品組合，以協(xié)助實現(xiàn)其設(shè)計，在五花八門的產(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(tǒng)的設(shè)計須透過現(xiàn)今驅(qū)動器的一些特性與進展，才能作出正確的決定，并使設(shè)計變得更簡易、更健全和有效降低成本。擁有完備的解決方案知識，將能夠進一步實現(xiàn)兼具快速及成本效益的解決方案，亦讓設(shè)計人員擁有許多可用的選擇。

　　不僅如此，低電壓交流電LED在簡化設(shè)計方面也提供穩(wěn)定的電路分析，有關(guān)這些優(yōu)點都能節(jié)省設(shè)計時間和金錢，同時也能提升產(chǎn)品的可靠性。