背景

　　高亮度 LED 能降低功耗,、具有很長(zhǎng)的壽命以及更多益處，不斷促進(jìn)多種照明應(yīng)用的發(fā)展,，因此 LED市場(chǎng)持續(xù)加速增長(zhǎng)就毫不意外了,。根據(jù) Strategies Unlimited 公司的研究，到 2010 年末,，高亮度 LED 的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 82 億美元,，到 2015 年將增長(zhǎng)到 202 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.6%,。在過(guò)去幾年中,，用來(lái)給顯示器提供背光照明的 LED 一直是驅(qū)動(dòng) LED 市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要因素,。不過(guò)，通用照明 LED 應(yīng)用在商用和住宅市場(chǎng)吸引力越來(lái)越大,，這也進(jìn)一步加速了 LED 市場(chǎng)的增長(zhǎng),。全球市場(chǎng)情報(bào)供應(yīng)商 LEDinside 在研究報(bào)告中寫道：“2010 年，商用高流明 LED 照明系統(tǒng)出現(xiàn)了巨大增長(zhǎng),。這是因?yàn)?，就大多?shù)消費(fèi)者而言，家用 LED 照明仍然太過(guò)昂貴,。LED 照明能帶來(lái)長(zhǎng)期益處,，具有節(jié)能和環(huán)保屬性，加上相關(guān)的減稅政策,，因此在停車場(chǎng),、辦公室、工廠,、倉(cāng)庫(kù)等商用領(lǐng)域,，LED 照明的使用量將出現(xiàn)巨大增長(zhǎng)。LED 燈不僅可以取代高壓鈉燈,、鹵素?zé)艉桶谉霟?，而且在某些領(lǐng)域還能取代 CFL 和熒光燈。”LEDinside 進(jìn)一步估計(jì)道：“2010 年和 2011 年,，LED 商用照明將迅速增長(zhǎng)并得到廣泛采用,，同時(shí)直到 2011 年或 2012 年，家用照明 LED 都不會(huì)流行,，2012 年是關(guān)鍵的一年,。預(yù)計(jì) 2010 年 LED 光源的市場(chǎng)滲透率能達(dá)到 3.7%，而 2009 年至 2013 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率估計(jì)為 32%,。”

　　在商用建筑物中,，照明一般占總能源使用量的 25% 至 40%，因此商用應(yīng)用引領(lǐng)向 LED 的轉(zhuǎn)變應(yīng)該是毫不意外的結(jié)果,。因?yàn)檫@類應(yīng)用需要高強(qiáng)度,、長(zhǎng)時(shí)間照明，所以節(jié)省電能導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)回報(bào)是相對(duì)短期的,。另外,，LED 附屬裝置壽命很長(zhǎng)，因此極大地降低了 LED 燈的更換成本,。更換成本不僅包括照明燈本身的成本,，還包括動(dòng)手更換照明燈的勞動(dòng)成本，而在某些應(yīng)用中,，如高頂燈照明應(yīng)用，勞動(dòng)成本這一項(xiàng)是很高的。另一方面,，就大多數(shù)消費(fèi)者而言,，通用的家用 LED 照明目前仍然太過(guò)昂貴。不過(guò),，未來(lái)幾年,，隨著 LED 附屬裝置價(jià)格下降和 LED 更加廣泛地供貨，照明市場(chǎng)在住宅領(lǐng)域也將出現(xiàn)大幅增長(zhǎng),。大多數(shù)分析師都預(yù)計(jì),，住宅細(xì)分市場(chǎng) 2011 年將適度增長(zhǎng)，而 2012 年及以后將加速增長(zhǎng),。

　　正如前面提到的那樣,，LED 照明市場(chǎng)高增長(zhǎng)率背后的主要驅(qū)動(dòng)因素是，與傳統(tǒng)照明方式相比,，LED 照明能極大地降低功耗,。與白熾燈照明相比，要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 照明還有更多優(yōu)勢(shì),，但也有更多挑戰(zhàn),。LED 的優(yōu)勢(shì)包括壽命比白熾燈高幾個(gè)位量級(jí)，這極大地降低了更換成本,。能利用以前安裝的 TRIAC 調(diào)光器給 LED 調(diào)光也是一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì),，尤其是在住宅照明市場(chǎng)。LED 燈即時(shí)接通,，無(wú)需像 CFL 那樣的預(yù)熱時(shí)間,，而且 LED 燈對(duì)電源周期不敏感，這一點(diǎn)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(shí)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 1：LED,、CFL 和白熾燈光源比較

　　此類新型 LED 照明應(yīng)用所涉及的范圍非常之廣,，從 4W 的擰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 燈將需要依靠現(xiàn)有的 AC 離線式電源 (視終端應(yīng)用所處地理位置的不同，通常為 90VAC 至 265VAC) 來(lái)工作,。為了獲得從 AC 離線式電源來(lái)高效驅(qū)動(dòng) LED 的能力,，產(chǎn)生了一些相當(dāng)獨(dú)特的 LED IC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)難題。

　　LED 驅(qū)動(dòng)器不僅必須提供最高效率以確保節(jié)省功率,，而且出于安全考慮,，還必須提供電氣隔離。此外,，LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供功率因數(shù)校正 (PFC) 和低諧波失真性能,，以適用于多種應(yīng)用。不僅如此,，在很多住宅應(yīng)用中,，LED 驅(qū)動(dòng)器還必須提供用現(xiàn)有 TRIAC 調(diào)光器調(diào)光的能力。最后,，解決方案的總體占板面積必須非常小,，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，解決方案還必須具成本效益,，以吸引商用和住宅用戶用 LED 燈更換現(xiàn)有照明燈,。有能夠滿足所有這些要求的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 可用，對(duì) LED 照明的不斷采用是至為重要的,。

　　LED 照明計(jì)算

　　LED 照明市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)背后的主要驅(qū)動(dòng)力之一是,，與白熾燈甚至 CFL 照明相比，LED 燈能極大地節(jié)省功率,。因此,，研究一下用現(xiàn)有 LED 能節(jié)省的功率以及未來(lái)幾年內(nèi)功率將怎樣進(jìn)一步節(jié)省是有意義的。

　　60W 白熾燈：

　　提供約 800 流明,，可轉(zhuǎn)換為 13.3 lms/W (流明/瓦),。

　　現(xiàn)有 LED：

　　就商用產(chǎn)品而言，目前的效率在 50 lms/W 至 170 lms/W 之間,。

　　未來(lái)的 LED：

　　將提供范圍為 200 lms/W 至 230 lms/W 的效率,。然而，最大的理論效率約為 250 lms/W,。

　　就照明用途而言,，我們來(lái)考慮一下 100 lms/W 的 LED。LED 本身所需要的電功率為 800 流明/100 lms/W = 8W,。不過(guò),，AC/DC LED 驅(qū)動(dòng)電子線路的效率也必須考慮在內(nèi)，就高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器而言,，這個(gè)效率為 85%,。因此,，離線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 lms/W 這個(gè)更加保守的數(shù)字，那么相對(duì)于白熾燈耗用的功率而言,，LED 功率可降低 75%。展望未來(lái),，當(dāng)提供 200 lms/W 的 LED 可用時(shí),，功率將節(jié)省多達(dá) 92%。為了滿足目前能源之星的要求,，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白熾燈,，LED 燈的功率必須降低至少 75%，才能取代白熾燈,。

　　用離線式電源為 LED 供電

　　能用離線式電源驅(qū)動(dòng) LED 就可使應(yīng)用越來(lái)越快地增加,，因?yàn)樵谏逃媒ㄖ妥≌校煞浅１憷氐玫竭@種形式的電源,。盡管 LED 燈的附屬裝置相對(duì)簡(jiǎn)單,，最終用戶非常容易安裝，但是對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的要求卻極大地提高了,。因?yàn)?LED 需要一個(gè)良好調(diào)節(jié)的恒定電流源,，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(shè)計(jì)方法,，要滿足一些非常特別的設(shè)計(jì)需求,。

　　在世界上不同地區(qū)，離線式電源參數(shù)可能不同,，一般在 90VAC 至 265VAC之間,，頻率則為 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市場(chǎng)的 LED 附屬裝置,，最好擁有這樣一個(gè)電路設(shè)計(jì)：無(wú)需修改就能使 LED 用在全球任何地方,。這就需要單一 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 能處理多種輸入電壓和頻率。

　　此外,，很多離線式 LED 應(yīng)用需要 LED與驅(qū)動(dòng)電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離,。這主要出于安全考慮，是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的,。電氣隔離一般由隔離型反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁?，該拓?fù)溥\(yùn)用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端和副端。

　　由于采用 LED 照明的驅(qū)動(dòng)力是,，提供特定光輸出量所需的功率可極大地降低,，因此當(dāng)務(wù)之急是,，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 要提供最高效率。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為,，提供高于 80% 的效率，以不浪費(fèi)功率,。

　　而且,，為了在住宅應(yīng)用中常見(jiàn)的 TRIAC 調(diào)光器已經(jīng)大量安裝到位的情況下使 LED 花樣翻新燈成為可能，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須與這些調(diào)光器一起高效運(yùn)作,。TRIAC 調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫O(shè)計(jì),，這兩種燈是理想的阻性負(fù)載。然而,，LED 驅(qū)動(dòng)器電路一般是非線性的,，而且不是純阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在 AC 輸入電壓處于其正峰值和負(fù)峰值時(shí)通常吸收高強(qiáng)度的峰值電流,。因此,，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)“模仿”一個(gè)純阻性負(fù)載，以確保 LED 在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動(dòng),，并利用一個(gè) TRIAC 進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光,。

　　就 LED 照明而言，PFC 是一個(gè)重要的性能規(guī)格,。簡(jiǎn)言之,，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么功率校正因數(shù)為 1,。因?yàn)榘谉霟羰且环N理想的電阻性負(fù)載,，所以輸入電流和電壓同相，且 PFC 為 1,。PFC 特別重要,，因?yàn)樗c本地電力供應(yīng)商所需提供的電功率有關(guān)。也就是說(shuō),，在一個(gè)電力系統(tǒng)中,，與一個(gè)具有高功率因數(shù)的負(fù)載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下,，一個(gè)具有低功率因數(shù)的負(fù)載吸取更大的電流,。因?yàn)樗桦娏鬏^高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了,，這反過(guò)來(lái)又需要更粗的導(dǎo)線和其他傳輸設(shè)備,。較大的設(shè)備和能源浪費(fèi)增加了成本，所以電力公司通常對(duì)功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費(fèi)用。LED 應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍然處于開(kāi)發(fā)之中,，不過(guò)大多數(shù)人相信,，就 LED 照明應(yīng)用而言，將要求 PFC > 0.90,。

　　LED 驅(qū)動(dòng)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(gè)純電阻性負(fù)載，其 PFC 可能低至 0.5,。為了將 PFC 提高到 0.9 以上,，有源或無(wú)源 PFC 電路都必須設(shè)計(jì)到 LED 驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)。還應(yīng)該提到的一點(diǎn)是,，在采用數(shù)百個(gè)以上 50W LED 燈的應(yīng)用中,，高 PFC 尤其重要，在這種情況下,，高 PFC (>0.95) LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是有益的。

　　除了高 PFC,，還有一點(diǎn)也很重要,，那就是最大限度地降低 LED 附屬裝置的諧波失真。國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 已經(jīng)制定了 C 類照明設(shè)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,。

　　在照明應(yīng)用中，能在較寬的線電壓,、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié) LED 電流是至關(guān)重要的,，因?yàn)?LED 亮度的變化必須是人眼難以察覺(jué)的。類似地,，為了確保 LED 有最長(zhǎng)的工作壽命,，不用高于最大額定值的電流驅(qū)動(dòng) LED 是很重要的。在隔離型反激式應(yīng)用中,，LED 電流的調(diào)節(jié)不總是直接進(jìn)行的,，常常需要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換級(jí),。然而,，這兩種方法都帶來(lái)了復(fù)雜性和可靠性問(wèn)題。幸運(yùn)的是,，有些 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的設(shè)計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法,，無(wú)需這些額外的組件或不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，就能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié) LED 電流,。

　　最后,，要從白熾燈迅速向 LED 燈轉(zhuǎn)變，最大的障礙是基于 LED 的解決方案的成本和尺寸,。消費(fèi)者習(xí)慣于花不到 1.00 美元換一個(gè) 60W 白熾燈,，花大約 3.00 美元換一個(gè) CFL 燈,。花 30 多美元換一個(gè) LED 燈,，對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的障礙,。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(jià)格換一個(gè) LED 燈確實(shí)有經(jīng)濟(jì)意義,，但是消費(fèi)者不習(xí)慣于這樣聯(lián)系起來(lái)看問(wèn)題?？傊?，倉(cāng)庫(kù)、車庫(kù)等支付大量照明電費(fèi)的商業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)向 LED 照明的速度快得多,，因?yàn)橘M(fèi)用節(jié)省更加明顯,。隨著 LED 燈購(gòu)買費(fèi)用的下降，將有更多的消費(fèi)者愿意轉(zhuǎn)向 LED 照明,。

　　同樣重要的一個(gè)因素是 LED 照明解決方案的尺寸,。很多 LED 燈都是直接旋入燈座的，因此整個(gè)解決方案必須與原來(lái)使用的白熾燈有相同的形狀和體積,。由于 LED 需要散熱器和復(fù)雜得多的驅(qū)動(dòng)器電路,，所以在相同的體積中裝入這兩樣?xùn)|西可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此,，人們需要的將是這樣的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC：能在一個(gè)簡(jiǎn)單和占板面積緊湊的解決方案中提供所有這些需要的功能,。

　　一種全新的解決方案

　　幸運(yùn)的是，一種新的解決方案,，凌力爾特的 LT3799,，可以解決這些離線式 LED 的所有驅(qū)動(dòng)難題。該器件是一款隔離型反激式 LED 控制器,，具有源 PFC,，專門為在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng) LED 而設(shè)計(jì)。LT3799 以關(guān)鍵傳導(dǎo)模式工作,，最大限度地減小了外部變壓器的尺寸,。它非常適用于驅(qū)動(dòng)功率從 4W 至數(shù)百瓦的多種 LED 應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20W 的 LED 的整個(gè)電路如圖 1 所示,。這個(gè)特定電路可用 TRIAC 調(diào)光,，且在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內(nèi)，能提供高達(dá) 1A 的 LED 電流,，同時(shí)提供超過(guò) 86% 的效率 (參見(jiàn)圖 2),。稍微改變一下外部組件，這個(gè)電路就可以進(jìn)一步優(yōu)化，以在 120VAC,、240VAC 甚至 377VAC 或幾乎任何常見(jiàn)的 AC 輸入情況下使用,。

圖 1：采用了 LT3799 并具 PFC 和 TRIAC 調(diào)光的通用輸入,、隔離型反激式 LED 控制器電路

　　LT3799 運(yùn)用單級(jí)設(shè)計(jì),，整個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)電路 (包括 EMI 濾波器) 僅需要 40 個(gè)外部組件，從而使該解決方案簡(jiǎn)單,、占板面積緊湊且具成本效益,。圖 1 中的 20W 電路的總尺寸僅為 30mm x 75mm，高度僅為 30mm,，從而成為種類繁多的 LED 應(yīng)用的理想選擇,。

圖 2：LT3799 在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率

　　LT3799 采用獨(dú)特的內(nèi)部電路提供高達(dá) 0.98 的有源 PFC，從而非常容易滿足美國(guó)能源部 (Department of Energy - DOE) 的要求,，同時(shí)還符合 IEC 61000-3-2 C 類照明設(shè)備諧波要求 (參見(jiàn)圖 3),。

圖 3：具有源 PFC 的 LT3799 VIN 和 IIN 波形

　　此外，在整個(gè)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 中可以看到,，當(dāng)輸入從 90VAC 變到 150VAC 時(shí)，正如大多數(shù)美國(guó)照明應(yīng)用所要求的那樣,，LED 電流保持了 ±5% 的穩(wěn)定度,。LT3799 用一個(gè)獨(dú)特的電流檢測(cè)電路取代了光耦合器，以向副端提供良好調(diào)節(jié)的電流,。這不僅降低了成本,，還改進(jìn)了可靠性。

圖 4：隨 VIN (AC) 變化 LT3799 對(duì) LED 電流的調(diào)節(jié)

　　LT3799 還能與標(biāo)準(zhǔn)壁式 TRIAC 調(diào)光器一起使用,，而不會(huì)產(chǎn)生任何可見(jiàn)閃爍,。集成的 LED開(kāi)路和短路保護(hù)確保多種 LED 應(yīng)用具有長(zhǎng)期可靠性。最后,，其耐熱增強(qiáng)型 MSOP-16 封裝有助于形成非常緊湊的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案,。

　　結(jié)論

　　由離線式電源供電的通用 LED 照明應(yīng)用市場(chǎng)出現(xiàn)了前所未有的加速增長(zhǎng)，其背后的驅(qū)動(dòng)力是對(duì)更高性能和具成本效益的照明應(yīng)用之持續(xù)需求,。然而,，這些新出現(xiàn)的性能要求必須使用新的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 才能滿足。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供電氣隔離,、高效率,、PFC 和 TRIAC 調(diào)光能力。此外，不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化,，這些驅(qū)動(dòng)器還必須提供良好調(diào)節(jié)的 LED 電流,，以保持一致的亮度，同時(shí)提供各種保護(hù)功能,，以提高系統(tǒng)可靠性,。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器電路還必須能構(gòu)成非常緊湊和具成本效益的解決方案。幸運(yùn)的是,，現(xiàn)在已經(jīng)有這類離線式 LED 驅(qū)動(dòng)器了,。