背景

如今，人們越來越關(guān)注使用傳統(tǒng)照明方法對環(huán)境的影響，同時LED價格在不斷下降，因此就很多離線式應用而言，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(jié)省能源、具有長壽命并對環(huán)境有利，這些特點不斷促進種類繁多的固態(tài)照明(SSL)應用的發(fā)展。因此，LED的增長率持續(xù)加速，應該并不令人意外。到2010年末，高亮度LED的市場規(guī)模達到了82億美元，預計到2015年將增長到超過200億美元，年復合增長率為30.6%(數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。過去幾年，用作高清電視機(HDTV)顯示器背光照明的LED一直是LED市場增長的主要驅(qū)動力。不過，隨著LED普通照明應用在商用和住宅環(huán)境中引起越來越大的關(guān)注，LED的增長將顯著加速。

LED照明高增長率背后的主要驅(qū)動力是，與傳統(tǒng)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(zhàn)。LED照明的優(yōu)勢包括工作壽命比白熾燈長數(shù)個量級，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的TRIAC調(diào)光器給LED調(diào)光，也是一個主要的成本優(yōu)勢，尤其是在住宅照明領(lǐng)域。LED能即時接通，不像CFL那樣需要預熱時間，而且LED對電源周期不敏感，這一點也與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能實現(xiàn)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。

可以使用離線式電源

能用離線式電源驅(qū)動LED使得LED應用得以迅猛增長，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燈更換對最終用戶來說實行起來相對簡單，但是對LED驅(qū)動器IC的新要求卻大大增加了。因為LED需要良好調(diào)節(jié)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(shè)計方法，而且有一些非常特殊的設(shè)計要求。

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

此外，很多離線式LED應用要求LED與驅(qū)動電路實現(xiàn)電氣隔離。這主要是出于安全考慮，也是幾家監(jiān)管機構(gòu)的要求。電氣隔離一般由隔離反激式LED驅(qū)動器拓撲提供，該拓撲利用一個變壓器隔離驅(qū)動電路的主端和副端部分。

采用LED照明背后的驅(qū)動力是提供一定量光輸出所需的功率極大降低，因此當務之急是LED驅(qū)動器IC要提供最高效率。因為LED驅(qū)動器電路必須將高壓AC電源轉(zhuǎn)換為在較低電壓時能提供良好調(diào)節(jié)的LED電流，所以LED驅(qū)動器IC必須設(shè)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的、大量安裝的TRIAC調(diào)光器，LED驅(qū)動器IC必須能有效地用這些調(diào)光器工作。TRIAC調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素燈很好地配合工作而設(shè)計，這兩種燈是理想的阻性負載。然而，LED驅(qū)動器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負載。其輸入橋式整流器在AC輸入電壓處于其正峰值和負峰值時通常吸收高強度的峰值電流。因此，LED驅(qū)動器IC必須通過設(shè)計來“模仿”一個純阻性負載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動，并利用一個TRIAC進行適當?shù)恼{(diào)光。

在LED照明中，功率因數(shù)校正(PFC)是一個重要的性能規(guī)格。簡言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么就可實現(xiàn)等于1的功率校正因數(shù)。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，PFC尤其重要。也就是說，在一個電源系統(tǒng)中，就傳輸相同數(shù)量的有用功率而言，功率因數(shù)低的負載比功率因數(shù)高的負載吸取更大的電流。需要更大的電流會提高配電系統(tǒng)中損失的能量，這又導致需要較粗的導線和其他較大型的傳輸設(shè)備。因為較大型的設(shè)備成本高且浪費能量，所以電力公司通常會向功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取更高的費用。LED應用的國際標準仍然在開發(fā)之中，不過大多數(shù)人認為，將要求大部分LED照明應用的PFC>0.90。

因為LED驅(qū)動器電路（包括很多二極管、變壓器和電容器）的表現(xiàn)不會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，有源或者無源PFC電路都必須設(shè)計到LED驅(qū)動器電路中。還應該提到的一點是，在運用大量LED照明陣列的應用中，高PFC尤其重要。例如，在使用超過幾百個50W LED燈的停車庫中，高PFC(>0.95) LED驅(qū)動器設(shè)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（International Electrotechnical Commission）已經(jīng)制訂了IEC 61000-3-2 C類照明設(shè)備諧波規(guī)范，以確保新的LED照明系統(tǒng)滿足這些低失真要求。

在照明應用中，能在較寬的線路輸入電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準確調(diào)節(jié)LED電流是至關(guān)重要的，因為LED亮度的變化必須是人眼難以察覺的。類似地，為了確保LED有最長的工作壽命，不用高于其最大額定值的電流驅(qū)動LED也是很重要的。在隔離反激式應用中調(diào)節(jié)LED電流并不總是很簡單，而是常常需要一個光耦合器來閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能要增加一個額外的轉(zhuǎn)換級。不過，這兩種方法都增加了復雜性和可靠性問題。幸運的是，有些LED IC驅(qū)動器設(shè)計采用了新的設(shè)計方法，以確保無需這些額外的組件和/或增加設(shè)計復雜性，就能準確調(diào)節(jié)LED電流。

要很快從白熾燈過渡到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60W的白熾燈，支付大約3美元更換一個同樣瓦數(shù)的CFL燈。支付超過30美元更換一個LED燈，是消費者要克服的一大障礙。以這樣的價格計算，在LED的壽命期內(nèi)，節(jié)省的電能和更換成本相比，換成LED燈確實有經(jīng)濟意義。不過，大多數(shù)消費者不習慣于這樣聯(lián)系起來看問題。一般而言，倉庫、停車庫等尤其因照明而支付高額能源賬單的商業(yè)企業(yè)會更快地采用LED照明，因為費用節(jié)省更加明顯。隨著LED燈購買費用的下降，將有更多消費者愿意轉(zhuǎn)向LED照明。

圖1 采用LT3799和TRIAC可調(diào)光的20W離線式LED驅(qū)動器

最后一個同樣重要的因素是，LED照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進燈座就可以更換的，因此整個LED解決方案必須能裝進與原來的白熾燈體積和形狀相同的空間中。LED需要一個散熱器和一個復雜得多的驅(qū)動器電路，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部分的整個LED解決方案，可能是個挑戰(zhàn)。因此，所需要的LED驅(qū)動器IC要能在一個簡單、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

為了滿足離線式照明的要求（例如高功率因數(shù)、高效率、隔離和TRIAC調(diào)光器兼容性），以前的LED驅(qū)動器采用很多外部分立式組件，結(jié)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、空間和性能問題。LT3799是一款具有源功率因數(shù)校正的隔離反激式LED控制器，專門為在90VAC至265VAC的通用輸入范圍驅(qū)動LED而設(shè)計。該器件以關(guān)鍵導通（邊界）模式控制一個隔離反激式轉(zhuǎn)換器，適用于需要4W至超過100W或更高LED功率的LED應用。其新穎的電流檢測電路無需使用光耦合器，就能向副端提供良好調(diào)節(jié)的輸出電流。其獨特的泄能電路使得LED驅(qū)動器可與TRIAC調(diào)光器相兼容，而無需增設(shè)額外的組件。LED開路和短路保護確保長期可靠性。

圖2 具有源功率因數(shù)校正的LT3799的VIN和IIN波形

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

IPK是峰值開關(guān)電流，N是主端至副端匝數(shù)比，D是占空比。該IC通過一種新穎的反饋控制電路調(diào)節(jié)峰值開關(guān)電流和占空比以此調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，因為準確度幾乎不受變壓器繞組電阻、開關(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(shù)、低諧波

通過使線路電流跟隨施加的正弦波電壓，LT3799實現(xiàn)了高功率因數(shù)，并且滿足了IEC 61000-3-2 C類照明設(shè)備諧波要求。如果所吸取的電流與輸入電壓成正比，就能實現(xiàn)等于1的功率因數(shù)。LT3799用一個從輸入電壓產(chǎn)生的、與輸入電壓成比例的電壓調(diào)制峰值開關(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(shù)。一個小帶寬反饋環(huán)路保持對輸出電流的調(diào)節(jié)，而且不會使輸入電流失真。

可與TRIAC調(diào)光器兼容

當TRIAC調(diào)光器處于斷開狀態(tài)時，它不是徹底斷開的。有相當大的泄漏電流通過其內(nèi)部濾波器流到LED驅(qū)動器。這個電流給LED驅(qū)動器的輸入電容器充電，從而導致LED隨機開關(guān)和閃爍。以前的解決方案增加一個泄能電路，該電路包括一個大而昂貴的高壓MOSFET。LT3799將變壓器主端繞組和主開關(guān)用作泄能電路，因此無需這類MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示，當TRIAC斷開時，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就無縫地變回正常的供電器件。

LED電流調(diào)節(jié)

此外，LT3799在整個輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)提供LED電流調(diào)節(jié)。見圖4，可以看到，正如大多數(shù)美國照明應用所要求的那樣，當輸入從90VAC變到150VAC時，LED電流保持在±5%的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。LT3799采用一個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(diào)節(jié)的電流。這不僅降低了成本，還改善了可靠性。

LED開路和短路保護

通過變壓器的第三個繞組持續(xù)監(jiān)視LED電壓。當主開關(guān)斷開時，第三個繞組的電壓與輸出電壓成正比，輸出二極管傳導電流。一旦過壓或LED開路，主開關(guān)就斷開，CT引腳的電容器開始放電。然后該電路進入打嗝模式。在LED短路情況下，VIN引腳電壓降至低于UVLO門限之前，該IC以最低頻率運行，因為第三個繞組不能給該IC提供足夠的功率。然后該IC進入啟動排序狀態(tài)。

CTRL引腳和模擬調(diào)光

LT3799的輸出可以通過多個CTRL引腳調(diào)節(jié)。例如，輸出電流可以跟隨一個加到任意CTRL引腳的DC控制電壓，以實現(xiàn)模擬調(diào)光。過熱保護和線路過壓保護功能也可以利用這些CTRL引腳輕松地實現(xiàn)。

緊湊和具成本效益的解決方案
 

圖4 LT3799 LED電流調(diào)節(jié)與VIN(AC)

L＼T3799運用具有整個LED驅(qū)動電路（包括EMI濾波器）的單級設(shè)計，僅需要40個外部組件，可使解決方案布局簡單、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。通過改變幾個外部組件，這個電路就可以進一步為120VAC、240VAC甚至377VAC應用或幾乎任何常見的AC輸入而優(yōu)化。

結(jié)論

面向通用照明應用的離線供電LED不斷促進對高性能和具成本效益的LED驅(qū)動器IC解決方案的需求。這類LED驅(qū)動器必須具有電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調(diào)光功能。此外，它們還必須提供良好調(diào)節(jié)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，同時它們必須提供各種保護功能以提高系統(tǒng)的可靠性。向LED照明過渡的經(jīng)濟性也要求LED驅(qū)動器電路必須非常具成本效益。幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類LED驅(qū)動器了。