背景

如今，人們越來(lái)越關(guān)注使用傳統照明方法對環(huán)境的影響，同時(shí)LED價(jià)格在不斷下降，因此就很多離線(xiàn)式應用而言，大功率LED正在迅速成為流行的照明解決方案。高亮度LED能節省能源、具有長(cháng)壽命并對環(huán)境有利，這些特點(diǎn)不斷促進(jìn)種類(lèi)繁多的固態(tài)照明(SSL)應用的發(fā)展。因此，LED的增長(cháng)率持續加速，應該并不令人意外。到2010年末，高亮度LED的市場(chǎng)規模達到了82億美元，預計到2015年將增長(cháng)到超過(guò)200億美元，年復合增長(cháng)率為30.6%(數據來(lái)源：Strategies Unlimited)。過(guò)去幾年，用作高清電視機(HDTV)顯示器背光照明的LED一直是LED市場(chǎng)增長(cháng)的主要驅動(dòng)力。不過(guò)，隨著(zhù)LED普通照明應用在商用和住宅環(huán)境中引起越來(lái)越大的關(guān)注，LED的增長(cháng)將顯著(zhù)加速。

LED照明高增長(cháng)率背后的主要驅動(dòng)力是，與傳統照明方法相比，LED照明的功耗大幅降低。與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出 (以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的25%。LED照明還有其他很多優(yōu)勢，但是也有一些與LED照明有關(guān)的挑戰。LED照明的優(yōu)勢包括工作壽命比白熾燈長(cháng)數個(gè)量級，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的TRIAC調光器給LED調光，也是一個(gè)主要的成本優(yōu)勢，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED能即時(shí)接通，不像CFL那樣需要預熱時(shí)間，而且LED對電源周期不敏感，這一點(diǎn)也與CFL不同。此外，LED不含任何需要管理或處置的有毒材料，而CFL需要有毒的水銀蒸氣才能工作。最后，LED能實(shí)現新的、非常扁平的外形尺寸，這是其他技術(shù)不可能做得到的。

可以使用離線(xiàn)式電源

能用離線(xiàn)式電源驅動(dòng)LED使得LED應用得以迅猛增長(cháng)，因為這種形式的電源在商用和住宅建筑中很容易得到。盡管LED燈更換對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)實(shí)行起來(lái)相對簡(jiǎn)單，但是對LED驅動(dòng)器IC的新要求卻大大增加了。因為L(cháng)ED需要良好調節的恒定電流源，以提供恒定量的光輸出，所以用AC輸入電源給LED供電需要一些特殊的設計方法，而且有一些非常特殊的設計要求。

根據所在國家和地區，離線(xiàn)式電源的范圍約為90VAC至265VAC，同時(shí)頻率范圍為50Hz至65Hz。因此，要為全球市場(chǎng)生產(chǎn)LED燈，理想情況是可提供無(wú)需修改就能適用于世界上任何地方的單一電路設計。這就需要單一LED驅動(dòng)器IC能處理多種輸入電壓和供電頻率。

此外，很多離線(xiàn)式LED應用要求LED與驅動(dòng)電路實(shí)現電氣隔離。這主要是出于安全考慮，也是幾家監管機構的要求。電氣隔離一般由隔離反激式LED驅動(dòng)器拓撲提供，該拓撲利用一個(gè)變壓器隔離驅動(dòng)電路的主端和副端部分。

采用LED照明背后的驅動(dòng)力是提供一定量光輸出所需的功率極大降低，因此當務(wù)之急是LED驅動(dòng)器IC要提供最高效率。因為L(cháng)ED驅動(dòng)器電路必須將高壓AC電源轉換為在較低電壓時(shí)能提供良好調節的LED電流，所以L(fǎng)ED驅動(dòng)器IC必須設計為提供高于80%的效率，這樣才能不浪費功率。

此外，為了讓LED燈可以使用住宅應用中常見(jiàn)的、大量安裝的TRIAC調光器，LED驅動(dòng)器IC必須能有效地用這些調光器工作。TRIAC調光器專(zhuān)為與白熾燈和鹵素燈很好地配合工作而設計，這兩種燈是理想的阻性負載。然而，LED驅動(dòng)器電路一般是非線(xiàn)性的，而且不是純阻性負載。其輸入橋式整流器在A(yíng)C輸入電壓處于其正峰值和負峰值時(shí)通常吸收高強度的峰值電流。因此，LED驅動(dòng)器IC必須通過(guò)設計來(lái)“模仿”一個(gè)純阻性負載，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)行適當的調光。

在LED照明中，功率因數校正(PFC)是一個(gè)重要的性能規格。簡(jiǎn)言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么就可實(shí)現等于1的功率校正因數。因為白熾燈是一種純電阻性負載，所有輸入電流和輸入電壓是同相的，PFC為1。當PFC與本地電源所需電功率大小有關(guān)時(shí)，PFC尤其重要。也就是說(shuō)，在一個(gè)電源系統中，就傳輸相同數量的有用功率而言，功率因數低的負載比功率因數高的負載吸取更大的電流。需要更大的電流會(huì )提高配電系統中損失的能量，這又導致需要較粗的導線(xiàn)和其他較大型的傳輸設備。因為較大型的設備成本高且浪費能量，所以電力公司通常會(huì )向功率因數較低的工業(yè)或商用客戶(hù)收取更高的費用。LED應用的國際標準仍然在開(kāi)發(fā)之中，不過(guò)大多數人認為，將要求大部分LED照明應用的PFC>0.90。

因為L(cháng)ED驅動(dòng)器電路（包括很多二極管、變壓器和電容器）的表現不會(huì )與純電阻性負載一樣，所以其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到高于0.9，有源或者無(wú)源PFC電路都必須設計到LED驅動(dòng)器電路中。還應該提到的一點(diǎn)是，在運用大量LED照明陣列的應用中，高PFC尤其重要。例如，在使用超過(guò)幾百個(gè)50W LED燈的停車(chē)庫中，高PFC(>0.95) LED驅動(dòng)器設計將是很有利的。

除了高PFC很重要外，最大限度地降低LED燈的諧波失真度也很重要。國際電工委員會(huì )（International Electrotechnical Commission）已經(jīng)制訂了IEC 61000-3-2 C類(lèi)照明設備諧波規范，以確保新的LED照明系統滿(mǎn)足這些低失真要求。

在照明應用中，能在較寬的線(xiàn)路輸入電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內準確調節LED電流是至關(guān)重要的，因為L(cháng)ED亮度的變化必須是人眼難以察覺(jué)的。類(lèi)似地，為了確保LED有最長(cháng)的工作壽命，不用高于其最大額定值的電流驅動(dòng)LED也是很重要的。在隔離反激式應用中調節LED電流并不總是很簡(jiǎn)單，而是常常需要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能要增加一個(gè)額外的轉換級。不過(guò)，這兩種方法都增加了復雜性和可靠性問(wèn)題。幸運的是，有些LED IC驅動(dòng)器設計采用了新的設計方法，以確保無(wú)需這些額外的組件和/或增加設計復雜性，就能準確調節LED電流。

要很快從白熾燈過(guò)渡到LED燈，面臨的最大障礙之一是基于LED解決方案的成本和尺寸。消費者習慣于支付不到0.50美元更換一個(gè)60W的白熾燈，支付大約3美元更換一個(gè)同樣瓦數的CFL燈。支付超過(guò)30美元更換一個(gè)LED燈，是消費者要克服的一大障礙。以這樣的價(jià)格計算，在LED的壽命期內，節省的電能和更換成本相比，換成LED燈確實(shí)有經(jīng)濟意義。不過(guò)，大多數消費者不習慣于這樣聯(lián)系起來(lái)看問(wèn)題。一般而言，倉庫、停車(chē)庫等尤其因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會(huì )更快地采用LED照明，因為費用節省更加明顯。隨著(zhù)LED燈購買(mǎi)費用的下降，將有更多消費者愿意轉向LED照明。

圖1 采用LT3799和TRIAC可調光的20W離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器

最后一個(gè)同樣重要的因素是，LED照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進(jìn)燈座就可以更換的，因此整個(gè)LED解決方案必須能裝進(jìn)與原來(lái)的白熾燈體積和形狀相同的空間中。LED需要一個(gè)散熱器和一個(gè)復雜得多的驅動(dòng)器電路，所以在與白熾燈體積和形狀相同的空間中裝入包括這兩個(gè)部分的整個(gè)LED解決方案，可能是個(gè)挑戰。因此，所需要的LED驅動(dòng)器IC要能在一個(gè)簡(jiǎn)單、占板面積緊湊的解決方案中提供所有這些需要的功能和特性。

一種新的解決方案

為了滿(mǎn)足離線(xiàn)式照明的要求（例如高功率因數、高效率、隔離和TRIAC調光器兼容性），以前的LED驅動(dòng)器采用很多外部分立式組件，結果形成了又大又復雜的解決方案。凌力爾特的LT3799集成了離線(xiàn)式LED照明需要的所有功能，解決了這些復雜性、空間和性能問(wèn)題。LT3799是一款具有源功率因數校正的隔離反激式LED控制器，專(zhuān)門(mén)為在90VAC至265VAC的通用輸入范圍驅動(dòng)LED而設計。該器件以關(guān)鍵導通（邊界）模式控制一個(gè)隔離反激式轉換器，適用于需要4W至超過(guò)100W或更高LED功率的LED應用。其新穎的電流檢測電路無(wú)需使用光耦合器，就能向副端提供良好調節的輸出電流。其獨特的泄能電路使得LED驅動(dòng)器可與TRIAC調光器相兼容，而無(wú)需增設額外的組件。LED開(kāi)路和短路保護確保長(cháng)期可靠性。

圖2 具有源功率因數校正的LT3799的VIN和IIN波形

圖1顯示了一個(gè)完整的LED驅動(dòng)器解決方案，其效率高達86%。LT3799從主端開(kāi)關(guān)電流波形檢測輸出電流。就一個(gè)以邊界模式工作的反激式轉換器而言，輸出電流方程式為：

IPK是峰值開(kāi)關(guān)電流，N是主端至副端匝數比，D是占空比。該IC通過(guò)一種新穎的反饋控制電路調節峰值開(kāi)關(guān)電流和占空比以此調節輸出電流。與需要知道輸入功率和輸出電壓信息的其他主端檢測方法不同，這種新型電路提供好得多的輸出電流調節，因為準確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開(kāi)關(guān)RDS(ON)、輸出二極管正向壓降和LED電纜壓降的影響。

圖3 MOSFET柵極信號和VIN

大功率因數、低諧波

通過(guò)使線(xiàn)路電流跟隨施加的正弦波電壓，LT3799實(shí)現了高功率因數，并且滿(mǎn)足了IEC 61000-3-2 C類(lèi)照明設備諧波要求。如果所吸取的電流與輸入電壓成正比，就能實(shí)現等于1的功率因數。LT3799用一個(gè)從輸入電壓產(chǎn)生的、與輸入電壓成比例的電壓調制峰值開(kāi)關(guān)電流。如在圖2中能看到的那樣，這種方法提供0.98或更高的功率因數。一個(gè)小帶寬反饋環(huán)路保持對輸出電流的調節，而且不會(huì )使輸入電流失真。

可與TRIAC調光器兼容

當TRIAC調光器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，它不是徹底斷開(kāi)的。有相當大的泄漏電流通過(guò)其內部濾波器流到LED驅動(dòng)器。這個(gè)電流給LED驅動(dòng)器的輸入電容器充電，從而導致LED隨機開(kāi)關(guān)和閃爍。以前的解決方案增加一個(gè)泄能電路，該電路包括一個(gè)大而昂貴的高壓MOSFET。LT3799將變壓器主端繞組和主開(kāi)關(guān)用作泄能電路，因此無(wú)需這類(lèi)MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示，當TRIAC斷開(kāi)時(shí)，MOSFET柵極信號為高，且MOSFET接通，從而泄放掉漏電電流，并保持輸入電壓為0V。TRIAC一旦接通，MOSFET就無(wú)縫地變回正常的供電器件。

LED電流調節

此外，LT3799在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內提供LED電流調節。見(jiàn)圖4，可以看到，正如大多數美國照明應用所要求的那樣，當輸入從90VAC變到150VAC時(shí)，LED電流保持在±5%的調節范圍內。LT3799采用一個(gè)獨特的電流檢測電路取代了光耦合器，以向副端提供良好調節的電流。這不僅降低了成本，還改善了可靠性。

LED開(kāi)路和短路保護

通過(guò)變壓器的第三個(gè)繞組持續監視LED電壓。當主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，第三個(gè)繞組的電壓與輸出電壓成正比，輸出二極管傳導電流。一旦過(guò)壓或LED開(kāi)路，主開(kāi)關(guān)就斷開(kāi)，CT引腳的電容器開(kāi)始放電。然后該電路進(jìn)入打嗝模式。在LED短路情況下，VIN引腳電壓降至低于UVLO門(mén)限之前，該IC以最低頻率運行，因為第三個(gè)繞組不能給該IC提供足夠的功率。然后該IC進(jìn)入啟動(dòng)排序狀態(tài)。

CTRL引腳和模擬調光

LT3799的輸出可以通過(guò)多個(gè)CTRL引腳調節。例如，輸出電流可以跟隨一個(gè)加到任意CTRL引腳的DC控制電壓，以實(shí)現模擬調光。過(guò)熱保護和線(xiàn)路過(guò)壓保護功能也可以利用這些CTRL引腳輕松地實(shí)現。

緊湊和具成本效益的解決方案

圖4 LT3799 LED電流調節與VIN(AC)

L＼T3799運用具有整個(gè)LED驅動(dòng)電路（包括EMI濾波器）的單級設計，僅需要40個(gè)外部組件，可使解決方案布局簡(jiǎn)單、占板面積緊湊并具有成本效益。圖1中20W電路的總尺寸僅為30mm×75mm，厚度僅為30mm，非常適用于多種LED應用。通過(guò)改變幾個(gè)外部組件，這個(gè)電路就可以進(jìn)一步為120VAC、240VAC甚至377VAC應用或幾乎任何常見(jiàn)的AC輸入而優(yōu)化。

結論

面向通用照明應用的離線(xiàn)供電LED不斷促進(jìn)對高性能和具成本效益的LED驅動(dòng)器IC解決方案的需求。這類(lèi)LED驅動(dòng)器必須具有電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調光功能。此外，它們還必須提供良好調節的LED電流，以保持一致的亮度，而不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，同時(shí)它們必須提供各種保護功能以提高系統的可靠性。向LED照明過(guò)渡的經(jīng)濟性也要求LED驅動(dòng)器電路必須非常具成本效益。幸運的是，現在已經(jīng)有這類(lèi)LED驅動(dòng)器了。