低電壓交流電LED照明驅(qū)動(dòng)選擇及電路設(shè)計(jì)

　　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(dú)立式主電源，這個(gè)主電源提供脫機(jī)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(kāi)路的情況，其輸出均不會(huì)超過(guò)30伏特有效值(VRMS)。其次，在所有狀況下，電路必須有一個(gè)25安培(A)的電流限制，這兩個(gè)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。

　　鑒于上述原因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極管(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)于三至四個(gè)街燈的輸出。此舉讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)上擁有很大的彈性，可允許相對(duì)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(jì)，亦或是在這兩者之間的設(shè)計(jì)。可確定的是，透過(guò)具彈性的LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)，將使照明系統(tǒng)從傳統(tǒng)白熾燈大步往前邁進(jìn)。

　　而在低壓交流電系統(tǒng)中，可考慮三個(gè)不同的照明燈具，首先是僅在一到兩個(gè)個(gè)別系統(tǒng)中裝置一個(gè)大/高輸出設(shè)計(jì);其次為可支持十到二十個(gè)裝置于系統(tǒng)小燈源的中型輸出設(shè)計(jì);最后則是可允許在單一系統(tǒng)中存在五十到一百個(gè)照明器的小型輸出設(shè)計(jì)。

　　大型數(shù)組設(shè)計(jì)打造高燈源輸出應(yīng)用

　　以大型數(shù)組設(shè)計(jì)而言，在兩個(gè)不同的范圍中，立即能顯現(xiàn)出LED獨(dú)特設(shè)計(jì)的好處，特別是在更獨(dú)特的大型照明燈源例子中，可透過(guò)大型數(shù)組創(chuàng)造出高燈源輸出應(yīng)用。一般而言，在街燈的應(yīng)用(采用高電壓脫機(jī)解決方案)上會(huì)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(huì)帶來(lái)整個(gè)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)置)，但設(shè)計(jì)者卻有機(jī)會(huì)以低電壓交流電的預(yù)算達(dá)到同樣效果，進(jìn)而從一個(gè)3.5伏特的順向電壓和使用350毫安電流的標(biāo)準(zhǔn)LED著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，大致上以每個(gè)1.2瓦或約八十個(gè)LED為基礎(chǔ)。

　　為達(dá)到所期待的輸出電力，使用單一驅(qū)動(dòng)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(lì)此種設(shè)計(jì)規(guī)則，原因在于若支持個(gè)別控制每一個(gè)LED線路，首先遇到的問(wèn)題為，LED和溫度有前饋的關(guān)系，當(dāng)溫度上升時(shí)，須嚴(yán)格控制順向電壓下降，以避免更多電流流動(dòng)，進(jìn)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(huì)很快產(chǎn)生搭配不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，若電流沒(méi)有被個(gè)別安排，以便通過(guò)整個(gè)線路，便很可能成為系統(tǒng)故障的來(lái)源。

　　利用在線設(shè)計(jì)工具尋找適合LED驅(qū)動(dòng)器

　　如同前述，市場(chǎng)上有各式各樣的驅(qū)動(dòng)器能符合需求。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)就有幾款LED驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到所需的最大輸入范圍，同時(shí)也具備簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)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(dòng)器都是直流對(duì)直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，所以在主電源提供的交流電訊號(hào)將會(huì)有進(jìn)行一些整流的情形，基于此種情況，對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸入條件須改為：

　　24VRMS=67.88VPP和在調(diào)整后驅(qū)動(dòng)器最大的輸入電壓范圍34伏特。

　　就確實(shí)可知的條件來(lái)說(shuō)，在此階段的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者心中可能已有一個(gè)特定的LED規(guī)格，而本文討論的所有設(shè)計(jì)，都可以使用如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的WEBEBCH LED Designer在線設(shè)計(jì)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以鍵入輸入電壓(34伏特直流電)、LED類(lèi)型/值及所需的輸出組態(tài)。此外，在350毫安和Vf=3.5伏特條件下，可驅(qū)動(dòng)九個(gè)LED組合而成的24VAC燈串，整流后為34伏特直流電(VDC)。而透過(guò)在線工具中的參數(shù)搜索工具，看似擁有許多適用的輸入范圍，然因工作周期的限制，其實(shí)并沒(méi)有大量可支持的線路。在此情況下，僅有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3401和LM3409兩款LED驅(qū)動(dòng)器可作支持，若把LED的數(shù)量從九顆減少至八顆，在驅(qū)動(dòng)器的選擇上才會(huì)增加。

　　值得注意的是，當(dāng)燈串的LED數(shù)量增加時(shí)，則須要經(jīng)由電壓的升壓來(lái)支持，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(dòng)電壓比輸入到轉(zhuǎn)換器的電壓還低)，這是對(duì)較少LED線路的主要觀點(diǎn)。

　　了解驅(qū)動(dòng)器角色對(duì)癥下藥

　　一般來(lái)說(shuō)，盡可能使用單一驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED最符合成本效益，然并不主張?jiān)趩我或?qū)動(dòng)器中使用并聯(lián)線路，而是希望串聯(lián)線路盡可能延長(zhǎng);其有利條件在于，即使線路受到嚴(yán)格規(guī)范和保護(hù)，亦可確保通過(guò)LED的電流皆相同。如此一來(lái)，一個(gè)較大的輸入電壓就能簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)大量的LED線路，只是在經(jīng)過(guò)整流后，該線路通常會(huì)流失一半的交流電電壓值，故其優(yōu)勢(shì)大打折扣;為解決此一問(wèn)題，則可改采升壓解決方案(輸出電壓比輸入電壓大時(shí))，以減輕驅(qū)動(dòng)大量LED線路的負(fù)擔(dān)。

　　另一個(gè)觀點(diǎn)是，若燈串可維持低于二十個(gè)LED(Vf=3.5V和350mA的LED驅(qū)動(dòng)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體任一款LM342X驅(qū)動(dòng)器達(dá)到，它提供過(guò)壓/欠壓保護(hù)機(jī)制、電流限制，以及依需求選配的過(guò)熱保護(hù)功能。

　　此外，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器裝置特色的了解在電路設(shè)計(jì)上扮演重要的角色，如是否須支持脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光、模擬調(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(guò)熱保護(hù)，以上考慮均為選用何種驅(qū)動(dòng)器的因素。

　　針對(duì)上述需求，LM3421/23驅(qū)動(dòng)器具備阻止和察覺(jué)額外錯(cuò)誤警告的特色，對(duì)于欲達(dá)到高層級(jí)保護(hù)及提供微控制器(MCU)反應(yīng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是很合適的組件。而LM3424內(nèi)建的過(guò)熱保護(hù)功能有利于光學(xué)或過(guò)熱保護(hù)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(dòng)器，但仍具有在升壓應(yīng)用中的過(guò)壓保護(hù)和電流限制，協(xié)助升壓檢測(cè)。

　　圖1