脱机式驱动瓶颈突破 家用LED照明系统可靠性大增

为满足家用LED照明应用市场日益严苛的产品要求，新一代脱机式LED驱动器具备电气隔离、高效率、功率因子校正和Triac调光等功能，并提供良好调节的电流，以保持一致亮度，同时各种保护功能，也提高系统可靠性。
 
在过去几年中，显示器背光照明应用一直是驱动发光二极管(LED)市场成长的主要因素。不过现今LED通用照明在商用和住宅市场的吸引力越来越大，也进一步加速了LED市场的成长。根据市场研究机构LEDinside的研究报告指出，2010年商用高流明LED照明系统出现快速成长。这是由于就大多数消费者而言，家用LED照明仍然太过昂贵。反观，对于停车场、办公室、工厂、仓库等商用领域，LED照明却能带来节能和环保等长期益处，加上相关的减税政策，因此这些应用领域的LED照明使用量将出现大幅成长。

家用LED照明市场将加速成长

LED灯不仅可以取代高压钠灯、卤素灯和白炽灯，而且在某些领域还能取代节能荧光灯(CFL)和荧光灯。LED商用照明将迅速成长并得到广泛采用，而2012年则是家用LED照明关键的一年。

在商用建筑物中，照明一般占总能源使用量的25～40%，因此商业应用开始改用LED照明，其实并不令人感到意外。由于此类应用需要高强度、长时间照明，所以节省电能导致的经济回报亦相对短期。另外，LED附属装置寿命很长，因此大幅降低LED灯的更换成本。更换成本不仅包括照明灯具本身的成本，还包括动手更换的劳动成本，而通常在某些应用中，例如高阶灯照明应用的拆装，这些需要专业级的劳动成本则都是很高。

整体而言，从大多数消费者的角度着眼的话，通用的家用LED照明仍然太过昂贵，不过，未来随着LED附属装置价格下降和LED更加广泛供货，照明市场在住宅领域也将出现大幅成长。大多数分析师都预期，住宅市场于2012年以后将加速成长。

LED驱动器IC设计考虑多方多面

正如前面所提，LED照明市场高成长率背后的主要驱动因素是其能大幅降低功耗。若与白炽灯照明相比，提供同样的光输出量(以流明为单位)，LED需要的电功率不到白炽灯的20%。如表1所示，LED照明还有更多优势，但也有更多挑战。LED的优势包括寿命比白炽灯更长，这大大降低了更换成本；尤其是在住宅照明市场，能利用以前安装的双向硅控整流器(Triac)调光器给LED调光也是一个主要的优势。LED灯可实时接通，毋需像CFL的预热时间，而且LED灯对电源周期不敏感，这一点也与CFL灯不同。此外，LED照明的附属装置不含任何需要控制或处理的有毒材料，而CFL采用有毒水银蒸气工作。最后，LED可实现新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技术则不可能做到。

此类新型LED照明应用所涉及的范围非常之广，从4瓦(W)的旋入式可替换型白炽灯泡到100W的街灯、再到需要几百瓦功率的高棚灯等。大多数这些LED灯须要依靠现有的交流电(AC)脱机式电源(视终端应用所处地理位置的不同，通常为90～265交流电压(VAC)来工作。为获得从AC脱机式电源来高效驱动LED的能力，因而产生一些相当独特的LED驱动器IC设计难题。

LED驱动器不仅必须提供最高效率以确保节省功率，而且出于安全考虑，还须提供电气隔离。此外，LED驱动器也得提供功率因子校正(PFC)和低谐波失真性能，以适用于多种应用。不仅如此，在很多住宅应用中，LED驱动器还必须提供用现有Triac调光器调光的能力。最后，解决方案须具备成本效益，且总体面积要精小，以使附属装置有足够的空间容纳该解决方案，以吸引商用和住宅用户用LED灯更换现有照明灯。总而言之，必须要有能够满足这些要求的LED驱动器IC可用，这对LED照明应用普及化至关重要。
LED功率节省仍有精进空间

LED照明市场迅速成长背后的主要驱动力之一是与白炽灯甚至CFL照明相比，LED灯可节省较多的功率。因此，研究一下用现有LED能节省的功率以及未来几年内，其功率将如何进一步节省。

目前60W白炽灯可提供约800流明，可转换为13.3流明/瓦(lm/W)。而现有LED就商用产品而言，效率在50～170lm/W之间。未来的LED则将提供范围为200～230lm/W的效率。然而，最大的理论效率约为250lm/W。

就照明用途而言，可考虑100lm/W的LED。LED本身所需要的电功率为8W。不过，交流对直流(AC-DC)LED驱动电子线路的效率也必须考虑在内，就高性能LED驱动器而言，此效率为85%。因此，脱机式电源所需的总功率为8W/0.85=9.4W，从而与白炽灯相比，功率节省了84%。如果用65lm/W这个更加保守的数字，那么相对于白炽灯耗用的功率而言，LED功率可降低75%。展望未来，当提供200lm/W的LED可用时，功率将节省多达92%。为满足目前能源之星的要求，相对于标准白炽灯，LED灯的功率须至少降低75%，才能取代白炽灯。

脱机式供电设计难度高

能用脱机式电源驱动LED就可使应用越来越快地增加，因为在商用建筑和住宅中，可以非常便利且轻易得到这种形式的电源。尽管LED灯的附属装置相对简单，最终用户非常容易安装，但是对LED驱动器IC的要求却也大幅提高了。因为LED须要一个良好调节的定电流源，以提供恒定的光输出，所以用AC输入源给LED供电需要一些特殊的设计方法，并要满足一些特别的设计需求。

例如，在世界上不同地区，脱机式电源参数可能不同，一般在90～265VAC之间，频率则为50～65Hz。因此要制造通用全球市场的LED附属装置，最好拥有这样一个无须修改就能使LED用在全球任何地方的电路设计，想达到这样的目标，就需要单一LED驱动器IC能处理多种输入电压和频率的功能。

除此之外，还有很多脱机式LED应用需要LED与驱动电路之间实现电气隔离，这主要是出于安全上的考虑，同时亦是几家监管机构所严格要求的。电气隔离一般由隔离型反驰式LED驱动器架构，该架构运用变压器隔离驱动电路的主端和副端。

采用LED照明的动力来自于提供特定光输出量所需的功率可大幅降低，因此当务之急是LED驱动器IC要提供最高效率。因为LED驱动器电路必须将高压AC电源转换为更低的电压和良好调节的LED电流，所以LED驱动器IC必须设计为可提供高于80%的效率，以不浪费功率。

而且为了配合在住宅应用中常见的Triac调光器已大量安装到位的情况下，使LED普及应用成为可能，LED驱动器IC必须与这些调光器一起高效运作。Triac调光器专为与白炽灯和卤素灯很好配合工作而设计，这两种灯是理想的电阻性负载。然而，LED驱动器电路一般是非线性的，而且不是电纯阻性负载。其输入桥式整流器在AC输入电压处于其正峰值和负峰值时，通常须吸收高强度的峰值电流。因此，LED驱动器IC必须通过设计来「模仿」一个纯电阻性负载，以确保LED在不产生任何明显闪烁的情况下正确启动，并利用一个Triac进行适当的调光。 

就LED照明而言，PFC是一个重要的性能规格。简言之，如果所吸取的电流与输入电压成正比且同相，那么功率校正因子为1。因为白炽灯是一种理想的电阻性负载，所以输入电流和电压同相，且PFC为1。PFC特别重要，因为它与本地电力供货商所须提供的电功率有关。

换言之，在一个电力系统中，与一个具有高功率因子的负载相比，在所传输的有用功率相同的情况下，一个具有低功率因子的负载可吸取更大的电流。因为所需电流较高，所以在配电系统中损失的能量也提高了，因此需要更粗的导线和其他传输设备。然而，较大的设备和能源浪费增加了成本，所以电力公司通常对功率因子较低的工业或商用客户收取较高的费用。LED应用的国际标准仍然处于开发中，不过大多数人相信，就LED照明应用而言，将要求PFC>0.90。

LED驱动器电路(包括大量二极管、变压器和电容器)的表现不像一个纯电阻性负载，其PFC可能低至0.5。为了将PFC提高到0.9以上，主动或被动PFC电路都必须设计到LED驱动器电路内。此外，在采用数百个以上50瓦LED灯的应用中，高PFC尤其重要，在这种情况下，高PFC(>0.95)LED驱动器设计是有益的。

另一方面，高PFC还有一点也很重要，即是最大限度降低LED附属装置的谐波失真。国际电工委员会(IEC)已制定了C类照明设备谐波性能规范IEC 61000-3-2，以确保新的LED照明附属装置满足低失真要求。

满足成本及尺寸要求　精简LED驱动电路势在必行

在照明应用中，能在较宽的线电压、输出电压和温度变化范围内准确调节LED电流是至关重要的，因为LED亮度的变化必须是人眼难以察觉的。同样的，为确保LED有最长的工作寿命，不用高于最大额定值的电流驱动LED相当重要。在隔离型反驰式应用中，LED电流的调节并不是直接进行，常常须要一个光耦合器来闭合所需的回馈回路，或者可能增加一个额外的转换级。然而，这两种方法都带来复杂性和可靠性等问题。幸运的是，有些LED驱动器IC的设计采用新的设计方法，无需这些额外的组件或不增加设计复杂性，就能准确调节LED电流。

然而，要从白炽灯迅速向LED灯转变，最大的障碍是在于LED解决方案的成本和尺寸。虽然若考虑到在LED的寿命期内电力成本和更换成本的降低，以这样的价格换一个LED灯确实有经济意义，但若要消费者花近1,000美元换一个LED灯，依然是很大的障碍。因此，目前仍以仓库、车库等支付大量照明电费的商业企业转向LED照明的速度较快，而此费用的节省亦更加明显。随着LED灯购买费用的下降，未来将有更多的消费者愿意转向LED照明。

另一方面，同样重要的一个因素是LED照明解决方案的尺寸。很多LED灯都是直接旋入灯座的，因此整个解决方案必须与原来使用的白炽灯有相同的形状和体积。由于LED需要散热器和许多复杂的驱动器电路，所以在相同的体积中装入这两样东西将可能是种挑战。因此，消费者需要的是一个简单，且接脚面积精简的解决方案中，可提供所有功能的LED驱动器IC。

维持电流稳定　隔离型反驰式LED控制器显身手

为解决这些脱机式LED的所有驱动难题，凌力尔特(Linear Technology)推出一款隔离型反驰式LED控制器LT3799，具主动PFC，专门为在90～265VAC的通用输入范围内驱动LED而设计。LT3799以关键传导模式工作，最大限度缩减外部变压器的尺寸，非常适用于驱动功率从4瓦至数百瓦的多种LED应用。驱动高达20瓦的LED的整个电路如图1所示。这个特定电路可用Triac调光，且在90～265VAC的通用输入范围内，能提供高达1安培(A)的LED电流，同时提供超过86%的效率(图2)。稍微改变一下外部组件，这个电路就可进一步优化，以在120、240、377VAC或几乎任何常见的AC输入情况下使用。

图1 隔离型反驰式LED控制器电路范例

图2 LT3799在通用输入电压范围内的效率

LT3799运用单级设计，使整个LED驱动电路(包括EMI滤波器)仅需要四十个外部组件，从而使该解决方案简单、接脚面积精简且具成本效益。图1中的20W电路的总尺寸仅为30毫米(mm)×75毫米，高度仅为30毫米，从而成为种类繁多的LED应用的理想选择。此外，其独特的内部电路提供高达0.98的主动PFC，容易满足美国能源部(Department of Energy, DOE)的要求，同时还符合IEC 61000-3-2C类照明设备谐波要求(图3)。

 图3 具主动PFC的LT3799VIN和IIN波形

在整个输入电压、输出电压和温度范围内，LT3799还提供LED电流调节。在图4中可看到当输入从90VAC变到150VAC时，LED电流保持了±5%的稳定度。该组件用一个独特的电流检测电路取代光耦合器，以向二次侧提供良好调节的电流。不仅降低成本，也改进了可靠性。不仅如此，该组件还能与标准壁式Triac调光器一起使用，而不会产生任何可见闪烁。整合式的LED开路和短路保护确保多种LED应用具有长期可靠性。最后，其散热强化型MSOP-16封装有助于形成非常精小的LED驱动器解决方案。

图4 随VIN(AC)变化LT3799对LED电流的调节
 
由脱机式电源供电所带起的通用LED照明应用市场，已开始出现空前的成长，其背后的驱动力，是市场对更高性能和具成本效益的照明应用需求。然而，这些新兴的性能要求必须使用新的LED驱动器IC才能满足。而这些LED驱动器必须提供电气隔离、高效率、PFC和Triac调光能力。此外，不管输入电压或LED正向电压如何变化，这些驱动器还必须提供良好调节的LED电流，以保持一致的亮度，同时提供各种保护功能，以提高系统可靠性。而这些LED驱动器电路也必须能构成非常精小和具成本效益的解决方案，幸运的是，目前已有厂商可供应这类脱机式LED驱动器了。