脱机式驱动瓶颈突破-家用LED照明系统可靠性大增

1、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

2、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 2540%，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

3、。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

4、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。表4 LED'CFL和白熾愷光源比較L岀沿目严LEDCFL白熾燈I50-150 *耒来逢到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较正鹽PFC時為65 * 有 PFCP?>Q.5O0.51對雹源週關是晋敏低是有有水銀)50类元谨元此类新型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90265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

6、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

7、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(Im/W)。而现有LED 就商用产品而言，效率在50170lm/W 之间。未来的LED则将提供范围为200230lm/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65

8、lm/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，

9、 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90265VAC 之间，频率则为5065Hz。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

10、，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

11、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

12、。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

13、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L

14、ED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

15、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90265VAC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

16、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90265VAC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)

17、X 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 ofEnergy, 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。90100110120130140 fMVg| (V|£)®w95wa5Ji JI o- fir .0图 4 随 VIN(AC)变化 LT37