離線式LED驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

用離線電源給 LED 供電

能用離線式電源驅(qū)動(dòng) LED 就可使應(yīng)用呈指數(shù)性地飛速增長(zhǎng)，因?yàn)椴还苁巧逃媒ㄖ€是居民住宅中，這種形式的電源都可以非常便利地得到。雖然 LED 燈的更換附屬裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，最終用戶很容易安裝，但是對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的新要求卻極大地提高了。由于 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 輸入電源為 LED 供電需要采取一些特殊的設(shè)計(jì)方法，要滿足一些非常特別的設(shè)計(jì)需求。

在世界上的不同地區(qū)，離線式電源參數(shù)會(huì)存在差異，一般在 90VAC~265VAC 之間，頻率則為 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市場(chǎng)的 LED 附屬裝置，最好擁有這樣一種電路設(shè)計(jì)：無(wú)需修改就能使 LED 用在世界任何地方。這就要求單一 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 能處理多種輸入電壓和頻率。

此外，許多離線式 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，并且是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的。電氣隔離通常由隔離型反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)溥\(yùn)用變壓器來(lái)隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端與副端部分。

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 要提供最高的效率。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器電路必須將高電壓 AC 電源轉(zhuǎn)換為較低的電壓和良好調(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(guò)設(shè)計(jì)來(lái)“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 是一項(xiàng)重要的性能規(guī)格。簡(jiǎn)言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成比例且同相，那么功率校正系數(shù)為 1。由于白熾燈是一種理想的電阻性負(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(shuō)，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)載吸取的更大電流。因?yàn)樗璧碾娏鬏^高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，這反過(guò)來(lái)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，所以電力公司往往對(duì)功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費(fèi)用。針對(duì) LED 應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍然處于開發(fā)之中，不過(guò)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 （包括大量的二極管、變壓器和電容器） 的表現(xiàn)不像一個(gè)純電阻性負(fù)載，故其 PFC 可能低至 0.5。為了將 PFC 提高到 0.9 以上，有源或無(wú)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，在采用幾百個(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。

在照明應(yīng)用中，能在較寬的輸入線路電壓、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(jué)的。類似地，為了確保 LED 有最長(zhǎng)的工作壽命，不使用高于其最大額定值的電流來(lái)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)并不總是直接進(jìn)行的，常常需要一個(gè)光耦合器來(lái)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(lái)了復(fù)雜性和可靠性問(wèn)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(wú)需這些額外的組件或在不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性的情況下，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 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。而花 30 多美元換一個(gè) LED 燈，對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)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(lái)看問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，倉(cāng)庫(kù)、車庫(kù)等支付大量照明電費(fèi)的商業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)向 LED 照明的速度就快得多，因?yàn)橘M(fèi)用節(jié)省比較明顯。隨著作為替代型照明解決方案的 LED 燈購(gòu)買費(fèi)用的下降，將有更多的消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向 LED 照明。

一種全新的解決方案

幸運(yùn)的是有一種全新的解決方案，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。該器件是一款具備有源 PFC 的隔離型反激式 LED 控制器，專門為在 90VAC~265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng) LED 而設(shè)計(jì)。LT3799 以臨界傳導(dǎo)模式工作，最大限度地減小了外部變壓器的尺寸。它非常適合于驅(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 2 所示。這款特定電路可采用 TRIAC 進(jìn)行調(diào)光，并且能夠在 90VAC~265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)提供高達(dá) 1A 的 LED 電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超過(guò) 86% 的效率 （見圖 3）。稍微改變一下外部組件，這個(gè)電路即可進(jìn)一步優(yōu)化，以在 120VAC、240VAC 甚至 377VAC 或幾乎任何常見 AC 輸入的情況下使用。

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 40 個(gè)外部組件，從而使解決方案簡(jiǎn)單、占板面積緊湊且具成本效益。圖 2 中 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)用之理想選擇。

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

圖 2：LT3799 在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率

圖 3：具有源 PFC 的 LT3799 VIN 和 IIN 波形

結(jié)論

由離線式電源供電的通用 LED 照明應(yīng)用市場(chǎng)出現(xiàn)了前所未有的增長(zhǎng)，其背后的驅(qū)動(dòng)力是對(duì)更高性能及具成本效益的照明應(yīng)用之持續(xù)需求。然而，這些新涌現(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)提供多種保護(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)成非常緊湊及具成本效益的解決方案。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有此類離線式 LED 驅(qū)動(dòng)器了
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