洞悉驅(qū)動器特性設(shè)計出低電壓AC的LED應(yīng)用設(shè)計

低電壓交流電照明系統(tǒng)在市場上愈來愈受歡迎，從室內(nèi)重點照明(Accent Lighting)到一般的軌道燈，乃至于應(yīng)用在戶外照明系統(tǒng)。零售商和家居建材行如IKEA和Home Depot已經(jīng)將這些技術(shù)迅速而廣泛的傳達(dá)給顧客，使電源系統(tǒng)納入特定低電壓的使用規(guī)則，使用者便不必經(jīng)過承包商而能自行安裝。 　　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)使用的是一種獨立式主電源，這個主電源提供離線交流電轉(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25安培(A)的電流限制，這兩個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。 　　鑑于上述塬因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極體(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)于叁至四個街燈的輸出。此舉讓設(shè)計者在設(shè)計上擁有很大的彈性，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，亦或是在這兩者之間的設(shè)計?？纱_定的是，透過具彈性的LED照明應(yīng)用設(shè)計，將使照明系統(tǒng)從傳統(tǒng)白熾燈大步往前邁進。 　　而在低壓交流電系統(tǒng)中，可考慮叁個不同的照明燈具，首先是僅在一到兩個個別系統(tǒng)中裝置一個大/高輸出設(shè)計;其次為可支援十到二十個裝置于系統(tǒng)小燈源的中型輸出設(shè)計；最后則是可允許在單一系統(tǒng)中存在五十到一百個照明器的小型輸出設(shè)計。 　　大型陣列設(shè)計打造高燈源輸出應(yīng)用 　　以大型陣列設(shè)計而言，在兩個不同的範(fàn)圍中，立即能顯現(xiàn)出LED獨特設(shè)計的好處，特別是在更獨特的大型照明燈源例子中，可透過大型陣列創(chuàng)造出高燈源輸出應(yīng)用。一般而言，在街燈的應(yīng)用(採用高電壓離線解決方案)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)(這會帶來整個規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)置)，但設(shè)計者卻有機會以低電壓交流電的預(yù)算達(dá)到同樣效果，進而從一個3.5伏特的順向電壓和使用350毫安培電流的標(biāo)準(zhǔn)LED著手進行設(shè)計，大致上以每個1.2瓦或約八十個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)計規(guī)則，塬因在于若支持個別控制每一個LED線路，首先遇到的問題為，LED和溫度有前饋的關(guān)係，當(dāng)溫度上升時，須嚴(yán)格控制順向電壓下降，以避免更多電流流動，進一步使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}，若電流沒有被個別安排，以便通過整個線路，便很可能成為系統(tǒng)故障的來源。 　　利用線上設(shè)計工具尋找適合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)到所需的最大輸入範(fàn)圍，同時也具備簡易設(shè)計的特性和效能表現(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範(fàn)圍34伏特。 　　就確實可知的條件來說，在此階段的設(shè)計上，設(shè)計者心中可能已有一個特定的LED規(guī)格，而本文討論的所有設(shè)計，都可以使用如美國國家半導(dǎo)體的 WEBEBCH LED Designer線上設(shè)計工具進行開發(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毫安培和Vf=3.5伏特條件下，可驅(qū)動九個LED組合而成的24VAC燈串，整流后為34伏特直流電(VDC)。而透過線上工具中的參數(shù)搜索工具，看似擁有許多適用的輸入範(fàn)圍，然因工作週期的限制，其實并沒有大量可支援的線路。在此情況下，僅有美國國家半導(dǎo)體的LM3401和LM3409兩款LED驅(qū)動器可作支援，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，則須要經(jīng)由電壓的升壓來支援，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。 　　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LED最符合成本效益，然并不主張在單一驅(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)範(fàn)和保護，亦可確保通過LED的電流皆相同。如此一來，一個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，則可改採升壓解決方案(輸出電壓比輸入電壓大時)，以減輕驅(qū)動大量LED線路的負(fù)擔(dān)。 　　另一個觀點是，若燈串可維持低于二十個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/欠壓保護機制、電流限制，以及依需求選配的過熱保護功能。 　　此外，對于驅(qū)動器裝置特色的了解在電路設(shè)計上扮演重要的角色，如是否須支援脈衝寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光、類比調(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，以上考量均為選用何種驅(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誤警告的特色，對于欲達(dá)到高層級保護及提供微控制器(MCU)反應(yīng)的應(yīng)用來說，是很合適的元件。而LM3424內(nèi)建的過熱保護功能有利于光學(xué)或過熱保護應(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)用中的過壓保護和電流限制，協(xié)助升壓檢測。 　　圖1 大型陣列設(shè)計應(yīng)用LM3429的升壓配置，採用24VAC系統(tǒng)，在電流為350毫安培的條件下，可驅(qū)動二十個LED 　　圖1所示為驅(qū)動二十個LED，每一個平均電流均為350毫安培，3.5伏特順向電壓的電路圖，此外，電路也許會因為須要進行類比調(diào)光(當(dāng)輸入減少時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的線路驅(qū)動器。如欲尋求更嚴(yán)格的顏色準(zhǔn)確度，可採用PWM調(diào)光。 　　大電容方案降低漣波　延長電解質(zhì)電容壽命 　　有一個簡單的概念是應(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線路都受到完整保護的高規(guī)格設(shè)計。 　　若進一步採用四條這樣的電路，則每條線路均能達(dá)成完整保護和控制的100瓦設(shè)計目標(biāo)，為實現(xiàn)此一架構(gòu)，則可能在前端使用一個一般的整流器(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)計人員而言就具有很多選擇。舉例來說，從D1～D4需要被規(guī)範(fàn)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)計有92%的效率，鑑于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毫安培的平均輸入電流，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800毫安培的輸入電流，且在120Hz線路上允許一個1伏特的漣波(因橋接整流器的關(guān)係為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，故此情況下，大電容將是可能採取的選擇方案。 　　小型陣列設(shè)計挑戰(zhàn)重重　降低電容溫度勢在必行 　　另一個極端的設(shè)計範(fàn)圍是小型陣列設(shè)計，該設(shè)計可能是單一LED元件或是一個單獨的組件中包含叁個元件，可讓1瓦變成3瓦的現(xiàn)代化LED照明效率解決方案，在環(huán)境和公園照明設(shè)備中頗受歡迎。 　　小型陣列設(shè)計對105℃額定值的電容而言，讓它們保持冷卻在65℃及更低的溫度，為此設(shè)計中較薄弱的環(huán)節(jié);不過，由于電解質(zhì)電容每低于額定溫度 10℃，就能增加一倍的使用壽命，意味著若一個設(shè)計師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長十六倍的額定壽命，在此比率下，5，000 小時的額定電容可延長到80，000小時，對小型陣列設(shè)計來說，雖為極大的挑戰(zhàn)但仍勢在必行。 　　由此可證，良好的熱能設(shè)計在LED應(yīng)用扮演關(guān)鍵角色，且使用有效率的驅(qū)動器如LM3429，則使設(shè)計挑戰(zhàn)更容易解決。在此設(shè)計上，最熱門的裝置是單結(jié)型場效應(yīng)電晶體(FET)M1開關(guān)，其可達(dá)到約65℃的溫度表現(xiàn)，雖然并沒有多大影響，但是設(shè)計者必須確定它與其他重要熱源均與電解質(zhì)電容保持距離，且所有板上的元件都保持在50℃以下，可見從LED散出的熱能永遠(yuǎn)是最大的挑戰(zhàn)，而不是電子學(xué)。 　　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(dá)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(dāng)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(fù)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(fù)荷，當(dāng)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(fù)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(fàn)圍處理該問題。 　　舉例來說，在美國國家半導(dǎo)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(dāng)?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(dá)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(yuǎn)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(dǎo)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。 　　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(dá)到熱能設(shè)計的目標(biāo)。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。 　　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 　　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(dá)到設(shè)計彈性。其次，如果要求絕對色彩準(zhǔn)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(dá)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(yuǎn)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(dāng)輸入電壓較低時，理所當(dāng)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(dāng)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(fàn)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(dá)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(dá)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(dá)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(dāng)?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(dǎo)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。