脫機式驅(qū)動瓶頸突破-家用LED照明系統(tǒng)可靠性大增

1、脫機式驅(qū)動瓶頸突破 家用LED照明系統(tǒng)可靠性大增為滿足家用LED照明應用市場日益嚴苛的產(chǎn)品要求，新一代脫機式LED驅(qū)動器具備電氣隔離、高效率、功率因子校正和Triac調(diào)光等功能，并提供良好調(diào)節(jié)的電流，以保持一致亮度，同時各種保護功能，也提高系統(tǒng)可靠性。在過去幾年中，顯示器背光照明應用一直是驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)市場成長的主要因素。 不過現(xiàn)今LED通用照明在商用和住宅市場的吸引力越來越大，也進一步加速了 LED市場的成長。根據(jù)市場研究機構(gòu) LEDinside 的研究報告指出，2010年商用高流明LED照明系統(tǒng)出 現(xiàn)快速成長。這是由于就大多數(shù)消費者而言，家用LED照明仍然太過昂貴。反觀，對于停車

2、場、辦公室、工廠、倉庫等商用領(lǐng)域，LED照明卻能帶來節(jié)能和環(huán)保等長期益處，加上相關(guān)的減稅政策，因此這些應用領(lǐng)域的LED照明使用量將出現(xiàn)大幅成長。家用LED照明市場將加速成長LED燈不僅可以取代高壓鈉燈、鹵素燈和白熾燈，而且在某些領(lǐng)域還能取代節(jié)能熒光 燈(CFL)和熒光燈。LED商用照明將迅速成長并得到廣泛采用，而2012年則是家用LED照明關(guān)鍵的一年。在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的 2540%，因此商業(yè)應用開始改用 LED 照明，其實并不令人感到意外。由于此類應用需要高強度、長時間照明，所以節(jié)省電能導致的經(jīng)濟回報亦相對短期。另外，LED附屬裝置壽命很長，因此大幅降低LED燈的更換成本

3、。更換成本不僅包括照明燈具本身的成本，還包括動手更換的勞動成本， 而通常在某些應用中，例如高階燈照明應用的拆裝，這些需要專業(yè)級的勞動成本則都是很高。整體而言，從大多數(shù)消費者的角度著眼的話，通用的家用LED照明仍然太過昂貴，不過，未來隨著LED附屬裝置價格下降和 LED更加廣泛供貨，照明市場在住宅領(lǐng)域也將出現(xiàn) 大幅成長。大多數(shù)分析師都預期，住宅市場于2012年以后將加速成長。LED驅(qū)動器IC設計考慮多方多面正如前面所提，LED照明市場高成長率背后的主要驅(qū)動因素是其能大幅降低功耗。若 與白熾燈照明相比，提供同樣的光輸出量(以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的20%。如表1所示，LED照明

4、還有更多優(yōu)勢，但也有更多挑戰(zhàn)。LED的優(yōu)勢包括壽命比白熾燈更長，這大大降低了更換成本； 尤其是在住宅照明市場， 能利用以前安裝的雙向硅 控整流器(Triac)調(diào)光器給LED調(diào)光也是一個主要的優(yōu)勢。LED燈可實時接通，毋需像CFL 的預熱時間，而且 LED燈對電源周期不敏感，這一點也與 CFL燈不同。此外，LED照明的附屬裝置不含任何需要控制或處理的有毒材料，而CFL采用有毒水銀蒸氣工作。最后，LED可實現(xiàn)新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術(shù)則不可能做到。表4 LED'CFL和白熾愷光源比較L岀沿目嚴LEDCFL白熾燈I50-150 *耒來逢到20040-701015壽命(小時)2 5萬

5、5蔑3.000*5,0001,0002000聲動功率DC蒿屋AC可用TriacM光S否是即時弄通是否功事因敷較正鹽PFC時為65 * 有 PFCP?>Q.5O0.51對雹源週關(guān)是晉敏低是有有水銀)50類元謹元此類新型LED照明應用所涉及的范圍非常之廣，從4瓦(W)的旋入式可替換型白熾燈泡到100W的街燈、再到需要幾百瓦功率的高棚燈等。大多數(shù)這些LED燈須要依靠現(xiàn)有的交流電(AC)脫機式電源(視終端應用所處地理位置的不同，通常為90265交流電壓(VAC)來工作。為獲得從 AC脫機式電源來高效驅(qū)動 LED的能力，因而產(chǎn)生一些相當獨特的LED驅(qū)動器IC設計難題。LED驅(qū)動器不僅必須提供最高效

6、率以確保節(jié)省功率，而且出于安全考慮，還須提供電 氣隔離。此外，LED驅(qū)動器也得提供功率因子校正(PFC)和低諧波失真性能， 以適用于多種應用。不僅如此，在很多住宅應用中，LED驅(qū)動器還必須提供用現(xiàn)有Triac調(diào)光器調(diào)光的能力。最后，解決方案須具備成本效益，且總體面積要精小， 以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，以吸引商用和住宅用戶用LED燈更換現(xiàn)有照明燈?？偠灾?，必須要有能夠滿足這些要求的 LED驅(qū)動器IC可用，這對LED照明應用普及化至關(guān)重要。LED功率節(jié)省仍有精進空間LED照明市場迅速成長背后的主要驅(qū)動力之一是與白熾燈甚至CFL照明相比，LED燈可節(jié)省較多的功率。因此，研究一下用現(xiàn)有

7、LED能節(jié)省的功率以及未來幾年內(nèi)，其功率將如何進一步節(jié)省。目前60W白熾燈可提供約 800流明，可轉(zhuǎn)換為13.3流明/瓦(Im/W)。而現(xiàn)有LED 就商用產(chǎn)品而言，效率在50170lm/W 之間。未來的LED則將提供范圍為200230lm/W 的效率。然而，最大的理論效率約為250lm/W 。就照明用途而言，可考慮100lm/W 的LED。LED本身所需要的電功率為 8W。不過， 交流對直流(AC-DC)LED 驅(qū)動電子線路的效率也必須考慮在內(nèi)，就高性能LED驅(qū)動器而言，此效率為85% 。因此，脫機式電源所需的總功率為 8W/0.85=9.4W,從而與白熾燈相比，功率節(jié)省了 84%。如果用65

8、lm/W 這個更加保守的數(shù)字，那么相對于白熾燈耗用的功率 而言，LED功率可降低75%。展望未來，當提供 200lm/W 的LED可用時，功率將節(jié)省 多達92%。為滿足目前能源之星的要求，相對于標準白熾燈，LED燈的功率須至少降低75%，才能取代白熾燈。脫機式供電設計難度高能用脫機式電源驅(qū)動 LED就可使應用越來越快地增加，因為在商用建筑和住宅中，可 以非常便利且輕易得到這種形式的電源。盡管LED燈的附屬裝置相對簡單，最終用戶非常容易安裝，但是對 LED驅(qū)動器IC的要求卻也大幅提高了。因為LED須要一個良好調(diào)節(jié)的定電流源，以提供恒定的光輸出，所以用AC輸入源給LED供電需要一些特殊的設計方法，

9、 并要滿足一些特別的設計需求。例如，在世界上不同地區(qū)，脫機式電源參數(shù)可能不同，一般在90265VAC 之間，頻率則為5065Hz。因此要制造通用全球市場的LED附屬裝置，最好擁有這樣一個無須修改就能使LED用在全球任何地方的電路設計，想達到這樣的目標， 就需要單一 LED驅(qū)動器IC能處理多種輸入電壓和頻率的功能。除此之外，還有很多脫機式 LED應用需要LED與驅(qū)動電路之間實現(xiàn)電氣隔離，這主 要是出于安全上的考慮， 同時亦是幾家監(jiān)管機構(gòu)所嚴格要求的。電氣隔離一般由隔離型反馳式LED驅(qū)動器架構(gòu)，該架構(gòu)運用變壓器隔離驅(qū)動電路的主端和副端。采用LED照明的動力來自于提供特定光輸出量所需的功率可大幅降低

10、，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)換為更低 的電壓和良好調(diào)節(jié)的 LED電流，所以LED驅(qū)動器IC必須設計為可提供高于 80%的效率， 以不浪費功率。而且為了配合在住宅應用中常見的Triac調(diào)光器已大量安裝到位的情況下，使LED普及應用成為可能，LED驅(qū)動器IC必須與這些調(diào)光器一起高效運作。Triac調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素燈很好配合工作而設計，這兩種燈是理想的電阻性負載。然而，LED驅(qū)動器電路一般是非線性的，而且不是電純阻性負載。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，通常須吸收高強度的峰值電流。因此，LED驅(qū)動器IC

11、必須通過設計來模仿一個純電阻性負載，以確保 LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確啟動，并利用一 個Triac進行適當?shù)恼{(diào)光。就LED照明而言，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，那么功率校正因子為1。因為白熾燈是一種理想的電阻性負載，所以輸入電流和電壓同相，且 PFC為1。PFC特別重要，因為它與本地電力供貨商所須提供的電功 率有關(guān)。換言之，在一個電力系統(tǒng)中，與一個具有高功率因子的負載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉?率相同的情況下，一個具有低功率因子的負載可吸取更大的電流。因為所需電流較高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，因此需要更粗的導線和其他傳輸設備

12、。然而，較大的設備和能源浪費增加了成本，所以電力公司通常對功率因子較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的 費用。LED應用的國際標準仍然處于開發(fā)中，不過大多數(shù)人相信，就LED照明應用而言，將要求PFC>0.90。LED驅(qū)動器電路(包括大量二極管、變壓器和電容器)的表現(xiàn)不像一個純電阻性負載，其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到0.9以上，主動或被動 PFC電路都必須設計到 LED驅(qū)動器電路內(nèi)。此外，在采用數(shù)百個以上50瓦LED燈的應用中，高 PFC尤其重要，在這種情況下，高 PFC(>0.95) LED驅(qū)動器設計是有益的。另一方面，高PFC還有一點也很重要，即是最大限度降低 LED附屬

13、裝置的諧波失真。 國際電工委員會(IEC)已制定了 C類照明設備諧波性能規(guī)范 IEC 61000-3-2 ，以確保新的 LED照明附屬裝置滿足低失真要求。滿足成本及尺寸要求精簡LED驅(qū)動電路勢在必行在照明應用中，能在較寬的線電壓、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。同樣的，為確保LED有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅(qū)動 LED相當重要。在隔離型反馳式應用中， LED電流的調(diào)節(jié)并不是直接進行，常常須要一個光耦合器來閉合所需的回饋回路，或者可能增加一個額外的轉(zhuǎn)換級。然而，這兩種方法都帶來復雜性和可靠性等問題。幸運的是，有些L

14、ED驅(qū)動器IC的設計采用新的設計方法，無需這些額外的組件或不增加設計復雜性，就能準確 調(diào)節(jié)LED電流。然而，要從白熾燈迅速向 LED燈轉(zhuǎn)變，最大的障礙是在于LED解決方案的成本和尺寸。雖然若考慮到在LED的壽命期內(nèi)電力成本和更換成本的降低，以這樣的價格換一個 LED燈確實有經(jīng)濟意義，但若要消費者花近1,000美元換一個LED燈，依然是很大的障礙。因此，目前仍以倉庫、車庫等支付大量照明電費的商業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)向LED照明的速度較快，而此費用的節(jié)省亦更加明顯。隨著LED燈購買費用的下降，未來將有更多的消費者愿意轉(zhuǎn)向LED照明。另一方面，同樣重要的一個因素是LED照明解決方案的尺寸。很多LED燈都是直接旋入

15、燈座的，因此整個解決方案必須與原來使用的白熾燈有相同的形狀和體積。由于LED需要散熱器和許多復雜的驅(qū)動器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣東西將可能是種挑 戰(zhàn)。因此，消費者需要的是一個簡單，且接腳面積精簡的解決方案中，可提供所有功能的LED驅(qū)動器IC。維持電流穩(wěn)定 隔離型反馳式LED控制器顯身手為解決這些脫機式 LED的所有驅(qū)動難題，凌力爾特(Linear Technology)推出一款隔離型反馳式LED控制器LT3799，具主動PFC，專門為在90265VAC的通用輸入范圍 內(nèi)驅(qū)動LED而設計。LT3799以關(guān)鍵傳導模式工作，最大限度縮減外部變壓器的尺寸，非 常適用于驅(qū)動功率從 4瓦至數(shù)百瓦

16、的多種 LED應用。驅(qū)動高達20瓦的LED的整個電路如 圖1所示。這個特定電路可用 Triac調(diào)光，且在90265VAC的通用輸入范圍內(nèi)，能提供 高達1安培(A)的LED電流，同時提供超過 86%的效率(圖2)。稍微改變一下外部組件， 這個電路就可進一步優(yōu)化，以在120、240、377VAC 或幾乎任何常見的 AC輸入情況下使用。圖1隔離型反馳式LED控制器電路范例圖2 LT3799 在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率LT3799運用單級設計，使整個LED驅(qū)動電路(包括EMI濾波器)僅需要四十個外部組件，從而使該解決方案簡單、接腳面積精簡且具成本效益。圖1中的20W 電路的總尺寸僅為30毫米(mm)

17、X 75毫米，高度僅為30毫米，從而成為種類繁多的LED應用的理想選擇。此外，其獨特的內(nèi)部電路提供高達 0.98的主動PFC,容易滿足美國能源部(Department ofEnergy, DOE) 的要求，同時還符合 IEC 61000-3-2C 類照明設備諧波要求(圖3)。圖3具主動PFC的LT3799VIN 和IIN 波形在整個輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)，LT3799還提供LED電流調(diào)節(jié)。在圖4中可看到當輸入從 90VAC變到150VAC 時，LED電流保持了 ±5%的穩(wěn)定度。該組件用一個 獨特的電流檢測電路取代光耦合器，以向二次側(cè)提供良好調(diào)節(jié)的電流。不僅降低成本，也改進了可靠性。不僅如此，該組件還能與標準壁式 Triac調(diào)光器一起使用，而不會產(chǎn)生任何可 見閃爍。整合式的LED開路和短路保護確保多種LED應用具有長期可靠性。最后，其散熱強化型MSOP-16封裝有助于形成非常精小的LED驅(qū)動器解決方案。90100110120130140 fMVg| (V|£)®w95wa5Ji JI o- fir .0圖 4 隨 VIN(AC)變化 LT37