离线式LED应用未必对LED驱动器构成挑战

【前言】离线式LED应用未必对LED驱动器构成挑战由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。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，还必须提供电气隔离。此外，LED驱动器必须提供功率因数校正(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...

背景

高亮度led能降低功耗、具有很长的寿命以及更多益处，不断促进多种照明应用的发展，因此LED市场持续加速增长就毫不意外了。根据StrategiesUnlimited公司的研究，到2010年末，高亮度LED的市场规模达到了82亿美元，到2015年将增长到202亿美元，年复合增长率为30.6％。在过去几年中，用来给显示器提供背光照明的LED一直是驱动LED市场增长的主要因素。不过，通用照明LED应用在商用和住宅市场吸引力越来越大，这也进一步加速了LED市场的增长。全球市场情报供应商LEDinside在研究报告中写道：“2010年，商用高流明LED照明系统出现了巨大增长。这是因为，就大多数消费者而言，家用LED照明仍然太过昂贵。LED照明能带来长期益处，具有节能和环保属性，加上相关的减税政策，因此在停车场、办公室、工厂、仓库等商用领域，LED照明的使用量将出现巨大增长。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CFL和荧光灯。”LEDinside进一步估计道：“2010年和2011年，LED商用照明将迅速增长并得到广泛采用，同时直到2011年或2012年，家用照明LED都不会流行，2012年是关键的一年。预计2010年LED光源的市场渗透率能达到3.7％，而2009年至2013年的年复合增长率估计为32％。

在商用建筑物中，照明一般占总能源使用量的25％-40％，因此商用应用引领向LED的转变应该是毫不意外的结果。因为这类应用需要高强度、长时间照明，所以节省电能导致的经济回报是相对短期的。另外，LED附属装置寿命很长，因此极大地降低了LED灯的更换成本。更换成本不仅包括照明灯本身的成本，还包括动手更换照明灯的劳动成本，而在某些应用中，如高顶灯照明应用，劳动成本这一项是很高的。另一方面，就大多数消费者而言，通用的家用LED照明目前仍然太过昂贵。不过，未来几年，随着LED附属装置价格下降和LED更加广泛地供货，照明市场在住宅领域也将出现大幅增长。大多数分析师都预计，住宅细分市场2011年将适度增长，而2012年及以后将加速增长。

正如前面提到的那样，LED照明市场高增长率背后的主要驱动因素是，与传统照明方式相比，LED照明能极大地降低功耗。与白炽灯照明相比，要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高几个位量级，这极大地降低了更换成本。能利用以前安装的TRIAC调光器给LED调光也是一个主要的优势，尤其是在住宅照明市场。LED灯即时接通，无需像CFL那样的预热时间，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4W的拧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灯将需要依靠现有的AC离线式电源(视终端应用所处地理位置的不同，通常为90VAC～265VAC)来工作。为了获得从AC离线式电源来高效驱动led的能力，产生了一些相当独特的LED IC驱动器设计难题。

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，还必须提供电气隔离。此外，LED驱动器必须提供功率因数校正(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，解决方案的总体占板面积必须非常小，以使附属装置有足够的空间容纳该解决方案，解决方案还必须具成本效益，以吸引商用和住宅用户用LED灯更换现有照明灯。有能够满足所有这些要求的LED驱动器IC可用，对LED照明的不断采用是至为重要的。

LED照明计算

LED照明市场迅速增长背后的主要驱动力之一是，与白炽灯甚至CFL照明相比，LED灯能极大地节省功率。因此，研究一下用现有LED能节省的功率以及未来几年内功率将怎样进一步节省是有意义的。

60W白炽灯：

提供约800 Ims(流明)，可转换为13.3 Ims／w(流明／瓦)。

现有LED：

就商用产品而言，目前的效率在50 Ims／w～170 Ims／w之间。

未来的LED：

将提供范围为200 Ims／w～230 Ims／w的效率。然而，最大的理论效率约为250 Ims／w。

就照明用途而言，我们来考虑一下100 Ims／w的LED。LED本身所需要的电功率为800 Ims／100Ims／w=8W。不过，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，这个效率为85％。因此，离线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65 Ims／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200 Ims／w的LED可用时，功率将节省多达92％。为了满足目前能源之星的要求，相对于标准白炽灯，LED灯的功率必须降低至少75％，才能取代白炽灯。

用离线式电源为LED供电

能用离线式电源驱动LED就可使应用越来越快地增加，因为在商用建筑和住宅中，可非常便利地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的要求却极大地提高了。因为LED需要一个良好调节的恒定电流源，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，要满足一些非常特别的设计需求。

在世界上不同地区，离线式电源参数可能不同，一般在90VAC～265VAC之间，频率则为50Hz-65Hz。因此要制造面向全球市场的LED附属装置，最好拥有这样一个电路设计：无需修改就能使LED用在全球任何地方。这就需要单一LED驱动器IC能处理多种输入电压和频率。

此外，很多离线式LED应用需要LED与驱动电路之间实现电气隔离。这主要出于安全考虑，是几家监管机构要求的。电气隔离一般由隔离型反激式LED驱动器拓扑提供，该拓扑运用变压器隔离驱动电路的主端和副端。

由于采用LED照明的驱动力是，提供特定光输出量所需的功率可极大地降低，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，提供高于80％的效率，以不浪费功率。

而且，为了在住宅应用中常见的TRIAC调光器已经大量安装到位的情况下使LED花样翻新灯成为可能，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地配合工作而设计，这两种灯是理想的阻性负载。然而，LED驱动器电路一般是非线性的，而且不是纯阻性负载。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”一个纯阻性负载，以确保LED在不产生任何明显闪烁的情况下正确起动，并利用一个TRlAC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，那么功率校正因数为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应商所需提供的电功率有关。也就是说，在一个电力系统中，与一个具有高功率因数的负载相比，在所传输的有用功率相同的情况下，一个具有低功率因数的负载吸取更大的电流。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，这反过来又需要更粗的导线和其他传输设备。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数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之中，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，有源或无源PFC电路都必须设计到LED驱动器电路内。还应该提到的一点是，在采用数百个以上50W 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。

除了高PFC，还有一点也很重要，那就是最大限度地降低LED附属装置的谐波失真。国际电工委员会(IEc)已经制定了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。

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。类似地，为了确保LED有最长的工作寿命，不用高于最大额定值的电流驱动LED是很重要的。在隔离型反激式应用中，LED电流的调节不总是直接进行的，常常需要一个光耦合器来闭合所需的反馈环路，或者可能增加一个额外的转换级。然而，这两种方法都带来了复杂性和可靠性问题。幸运的是，有些LED驱动器IC的设计采用了新的设计方法，无需这些额外的组件或不增加设计复杂性，就能准确地调节LED电流。

最后，要从白炽灯迅速向LED灯转变，最大的障碍是基于LED的解决方案的成本和尺寸。消费者习惯于花不到1.00美元换一个60W白炽灯，花大约3.00美元换一个CFL灯。花30多美元换一个LED灯，对消费者来说是一个很大的障碍。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，但是消费者不习惯于这样联系起来看问题。总之，仓库、车库等支付大量照明电费的商业企业转向LED照明的速度快得多，因为费用节省更加明显。随着LED灯购买费用的下降，将有更多的消费者愿意转向LED照明。

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需要散热器和复杂得多的驱动器电路，所以在相同的体积中装入这两样东西可能是一个挑战。因此，人们需要的将是这样的LED驱动器IC：能在一个简单和占板面积紧凑的解决方案中提供所有这些需要的功能。

一种全新的解决方案

幸运的是，一种新的解决方案，凌力尔特的LT3799，可以解决这些离线式LED的所有驱动难题。该器件是一款隔离型反激式LED控制器，具有源PFC，专门为在90VAC～265VAC的通用输入范围内驱动LED而设计。LT3789以关键传导模式工作，最大限度地减小了外部变压器的尺寸。它非常适用于驱动功率从4W至数百瓦的多种LED应用。驱动高达20W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90VAC～265VAC的通用输入范围内，能提供高达1A的LED电流，同时提供超过86％的效率(参见图2)。稍微改变一下外部组件，这个电路就可以进一步优化，以在120VAC、240VAC甚至377VAC或几乎任何常见的AC输入情况下使用。

LT3799运用单级设计，整个LED驱动电路(包括EMl滤波器)仅需要40个外部组件，从而使该解决方案简单、占板面积紧凑且具成本效益。图1中的20W电路的总尺寸仅为30mm×75mm，高度仅为30mm，从而成为种类繁多的LED应用的理想选择。

LT3799采用独特的内部电路提供高达0.98的有源PFC，从而非常容易满足美国能源部(Departmentof Energy―DOE)的要求，同时还符合IEC 61000-3-2 C类照明设备谐波要求(参见图3)。

此外，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中可以看到，当输入从90VAC变到150VAC时，正如大多数美国照明应用所要求的那样，LED电流保持了±5％的稳定度。LT3799用一个独特的电流检测电路取代了光耦合器，以向副端提供良好调节的电流。这不仅降低了成本，还改进了可靠性。

LT3799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。集成的LED开路和短路保护确保多种LED应用具有长期可靠性。最后，其耐热增强型MSOP-16封装有助于形成非常紧凑的LED驱动器解决方案。

结论

由离线式电源供电的通用LED照明应用市场出现了前所未有的加速增长，其背后的驱动力是对更高性能和具成本效益的照明应用之持续需求。然而这些新出现的性能要求必须使用新的LED驱动器IC才能满足。这些LED驱动器必须提供电气隔离、高效率、PFC和TRlAC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。这些LED驱动器电路还必须能构成非常紧凑和具成本效益的解决方案。幸运的是，现在已经有这类离线式LED驱动器了。