基于一種低壓交流電的高燈源LED照明設計

低電壓交流電LED照明應用興起

所有低電壓交流電照明系統使用的是一種獨立式主電源，這個(gè)主電源提供脫機交流電轉換成低電壓的方案，在任何負載下，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）的系統或24伏特600瓦的系統皆是。

鑒于上述原因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極管（LED）照明應用中，相當受到青睞，該技術(shù)甚至可應用在300瓦的LED照明功率中，相當于三至四個(gè)街燈的輸出。此舉讓設計者在設計上擁有很大的彈性，可允許相對較大型的單一組件或由單一電源提供的多組態(tài)燈器設計，亦或是在這兩者之間的設計?？纱_定的是，透過(guò)具彈性的LED照明應用設計，將使照明系統從傳統白熾燈大步往前邁進(jìn)。

而在低壓交流電系統中，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)別系統中裝置一個(gè)大/高輸出設計;其次為可支持十到二十個(gè)裝置于系統小燈源的中型輸出設計;最后則是可允許在單一系統中存在五十到一百個(gè)照明器的小型輸出設計。

大型數組設計打造高燈源輸出應用

以大型數組設計而言，在兩個(gè)不同的范圍中，立即能顯現出LED獨特設計的好處，特別是在更獨特的大型照明燈源例子中，可透過(guò)大型數組創(chuàng )造出高燈源輸出應用。一般而言，在街燈的應用（采用高電壓脫機解決方案）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（這會(huì )帶來(lái)整個(gè)規則和標準的新設置），但設計者卻有機會(huì )以低電壓交流電的預算達到同樣效果，進(jìn)而從一個(gè)3.5伏特的順向電壓和使用350毫安電流的標準LED著(zhù)手進(jìn)行設計，大致上以每個(gè)1.2瓦或約八十個(gè)LED為基礎。

為達到所期待的輸出電力，使用單一驅動(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)界通常不鼓勵此種設計規則，原因在于若支持個(gè)別控制每一個(gè)LED線(xiàn)路，首先遇到的問(wèn)題為，LED和溫度有前饋的關(guān)系，當溫度上升時(shí)，須嚴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(xiàn)路共享相同電流之下，將會(huì )很快產(chǎn)生搭配不當的問(wèn)題，若電流沒(méi)有被個(gè)別安排，以便通過(guò)整個(gè)線(xiàn)路，便很可能成為系統故障的。

利用在線(xiàn)設計工具尋找適合LED驅動(dòng)器

如同前述，市場(chǎng)上有各式各樣的驅動(dòng)器能符合需求。美國國家半導體（NS）就有幾款LED驅動(dòng)器能夠達到所需的最大輸入范圍，同時(shí)也具備簡(jiǎn)易設計的特性和效能表現。先從24VAC系統談起，此為最引人注意的特殊大型燈具，目前談及的驅動(dòng)器都是直流對直流（DC-DC）轉換器，所以在主電源提供的交流電訊號將會(huì )有進(jìn)行一些整流的情形，基于此種情況，對轉換器的輸入條件須改為：

24VRMS=67.88VPP和在調整后驅動(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)，在此階段的設計上，設計者心中可能已有一個(gè)特定的LED規格，而本文討論的所有設計，都可以使用如美國國家半導體的WEBEBCH LED Designer在線(xiàn)設計工具進(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(xiàn)工具中的參數搜索工具，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(xiàn)路。在此情況下，僅有美國國家半導體的LM3401和LM3409兩款LED驅動(dòng)器可作支持，若把LED的數量從九顆減少至八顆，在驅動(dòng)器的選擇上才會(huì )增加。

值得注意的是，當燈串的LED數量增加時(shí)，則須要經(jīng)由電壓的升壓來(lái)支持，現今大多低電壓交流電應用的主要轉換器拓撲為降壓轉換器（輸出到LED的驅動(dòng)電壓比輸入到轉換器的電壓還低），這是對較少LED線(xiàn)路的主要觀(guān)點(diǎn)。

了解驅動(dòng)器角色對癥下藥

一般來(lái)說(shuō)，盡可能使用單一驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)多個(gè)LED最符合成本效益，然并不主張在單一驅動(dòng)器中使用并聯(lián)線(xiàn)路，而是希望串聯(lián)線(xiàn)路盡可能延長(cháng);其有利條件在于，即使線(xiàn)路受到嚴格規范和保護，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)單驅動(dòng)大量的LED線(xiàn)路，只是在經(jīng)過(guò)整流后，該線(xiàn)路通常會(huì )流失一半的交流電電壓值，故其優(yōu)勢大打折扣;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)），以減輕驅動(dòng)大量LED線(xiàn)路的負擔。

另一個(gè)觀(guān)點(diǎn)是，若燈串可維持低于二十個(gè)LED（Vf=3.5V和350mA的LED驅動(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)由美國國家半導體任一款LM342X驅動(dòng)器達到，它提供過(guò)壓/欠壓保護機制、電流限制，以及依需求選配的過(guò)熱保護功能。

此外，對于驅動(dòng)器裝置特色的了解在電路設計上扮演重要的角色，如是否須支持脈沖寬度調變（PWM）調光、模擬調光等，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，以上考慮均為選用何種驅動(dòng)器的因素。

針對上述需求，LM3421/23驅動(dòng)器具備阻止和察覺(jué)額外錯誤警告的特色，對于欲達到高層級保護及提供微控制器（MCU）反應的應用來(lái)說(shuō)，是很合適的組件。而LM3424內建的過(guò)熱保護功能有利于光學(xué)或過(guò)熱保護應用（降低與LED溫度有關(guān)的輸出電流）;再者，LM3429雖為此系列產(chǎn)品最基本款的驅動(dòng)器，但仍具有在升壓應用中的過(guò)壓保護和電流限制，協(xié)助升壓檢測。

圖1所示為驅動(dòng)二十個(gè)LED，每一個(gè)平均電流均為350毫安，3.5伏特順向電壓的電路圖，此外，電路也許會(huì )因為須要進(jìn)行模擬調光（當輸入減少時(shí)光源的輸出就會(huì )降低）而有所改變，以符合簡(jiǎn)單又全面受到保護的線(xiàn)路驅動(dòng)器。如欲尋求更嚴格的顏色準確度，可采用PWM調光。

圖1 大型數組設計應用LM3429的升壓配置，采用24VAC系統，在電流為350毫安的條件下，可驅動(dòng)二十個(gè)LED。

大電容方案降低漣波　延長(cháng)電解質(zhì)電容壽命

有一個(gè)簡(jiǎn)單的概念是應用升壓解決方案來(lái)恢復以交流電整流驅動(dòng)大量LED燈串時(shí)損失的電壓，且仍保持在低壓限制中，這大約是前端消耗的27瓦（在92%效率下的24.5瓦LED），故顯而易見(jiàn)，系統是如何在單一附件下拓展成每個(gè)線(xiàn)路都受到完整保護的高規格設計。

若進(jìn)一步采用四條這樣的電路，則每條線(xiàn)路均能達成完整保護和控制的100瓦設計目標，為實(shí)現此一架構，則可能在前端使用一個(gè)一般的整流器（只需要×4電流率的橋接二級管和C1/C2的×4電容）。此外，LED照明設計如果在低電壓系統下有300～600瓦的可用電力，25安培的總電流對設計人員而言就具有很多選擇。舉例來(lái)說(shuō)，從D1～D4需要被規范出最大電壓和電流的余量（Headroom）。輸出的電容可用下列方程式表示：

C=0.7（I）/ΔE（f）

其中，I代表到下游電路的輸入電流（直流對直流轉換區），ΔE為可允許的漣波電壓，而f則是交流電頻率。由于此設計有92%的效率，鑒于LED功率為24.5瓦，這代表前端的直流對直流區將有26.6瓦的功率;而在整流（34VDC）后，從24VAC的電源使用26.6瓦并產(chǎn)生約782毫安的平均輸入電流，如此一來(lái)，將可適當調整二級管整流器的規格。

另一方面，可接受的漣波也影響著(zhù)電容的需求，舉例來(lái)說(shuō)，執行一個(gè)800毫安的輸入電流，且在120Hz線(xiàn)路上允許一個(gè)1伏特的漣波（因橋接整流器的關(guān)系為2×60Hz）需要9，300μF的大電容;如果是3伏特的漣波則只需要1，500μF，由于降低漣波對電解質(zhì)電容的壽命提供較佳的保護，故此情況下，大電容將是可能采取的選擇方案。