低電壓交流電照明系統(tǒng)在市場上愈來愈受歡迎,，從室內(nèi)重點照明(Accent Lighting)到一般的軌道燈,，乃至于應(yīng)用在戶外照明系統(tǒng),。零售商和家居建材行如IKEA和Home Depot已經(jīng)將這些技術(shù)迅速而廣泛的傳達給顧客，使電源系統(tǒng)納入特定低電壓的使用規(guī)則,，用戶便不必經(jīng)過承包商而能自行安裝,。
低電壓交流電LED照明應(yīng)用興起
所有低電壓交流電照明系統(tǒng)使用的是一種獨立式主電源,，這個主電源提供脫機交流電轉(zhuǎn)換成低電壓的方案，在任何負(fù)載下,，即使電路處于開路的情況,，其輸出均不會超過30伏特有效值(VRMS)。其次,，在所有狀況下,，電路必須有一個25安培(A)的電流限制，這兩個條件將決定低電壓交流電照明應(yīng)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(tǒng)或24伏特600瓦的系統(tǒng)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(yīng)用中,，相當(dāng)受到青睞,，該技術(shù)甚至可應(yīng)用在300瓦的LED照明功率中，相當(dāng)于三至四個街燈的輸出,。此舉讓設(shè)計者在設(shè)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(shè)計，亦或是在這兩者之間的設(shè)計,?？纱_定的是，透過具彈性的LED照明應(yīng)用設(shè)計,，將使照明系統(tǒng)從傳統(tǒng)白熾燈大步往前邁進,。
而在低壓交流電系統(tǒng)中，可考慮三個不同的照明燈具,，首先是僅在一到兩個個別系統(tǒng)中裝置一個大/高輸出設(shè)計,；其次為可支持十到二十個裝置于系統(tǒng)小燈源的中型輸出設(shè)計；最后則是可允許在單一系統(tǒng)中存在五十到一百個照明器的小型輸出設(shè)計,。
大型數(shù)組設(shè)計打造高燈源輸出應(yīng)用
以大型數(shù)組設(shè)計而言,，在兩個不同的范圍中，立即能顯現(xiàn)出LED獨特設(shè)計的好處,，特別是在更獨特的大型照明燈源例子中,，可透過大型數(shù)組創(chuàng)造出高燈源輸出應(yīng)用。一般而言,，在街燈的應(yīng)用(采用高電壓脫機解決方案)上會使用100瓦的LED燈源,，雖然不建議其使用低電壓交流電系統(tǒng)(這會帶來整個規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)置)，但設(shè)計者卻有機會以低電壓交流電的預(yù)算達到同樣效果,，進而從一個3.5伏特的順向電壓和使用350毫安電流的標(biāo)準(zhǔn)LED著手進行設(shè)計,，大致上以每個1.2瓦或約八十個LED為基礎(chǔ),。
為達到所期待的輸出電力，使用單一驅(qū)動器并使用多組串聯(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(shè)計規(guī)則，原因在于若支持個別控制每一個LED線路,，首先遇到的問題為,，LED和溫度有前饋的關(guān)系，當(dāng)溫度上升時,，須嚴(yán)格控制順向電壓下降,，以避免更多電流流動，進一步使LED的溫度升高,。其最大的影響就是在不同線路共享相同電流之下,，將會很快產(chǎn)生搭配不當(dāng)?shù)膯栴}，若電流沒有被個別安排,，以便通過整個線路,，便很可能成為系統(tǒng)故障的來源。
利用在線設(shè)計工具尋找適合LED驅(qū)動器
如同前述,，市場上有各式各樣的驅(qū)動器能符合需求,。美國國家半導(dǎo)體(NS)就有幾款LED驅(qū)動器能夠達到所需的最大輸入范圍，同時也具備簡易設(shè)計的特性和效能表現(xiàn),。先從24VAC系統(tǒng)談起,，此為最引人注意的特殊大型燈具，目前談及的驅(qū)動器都是直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器,，所以在主電源提供的交流電訊號將會有進行一些整流的情形,，基于此種情況，對轉(zhuǎn)換器的輸入條件須改為：
24VRMS=67.88VPP和在調(diào)整后驅(qū)動器最大的輸入電壓范圍34伏特,。
就確實可知的條件來說,，在此階段的設(shè)計上，設(shè)計者心中可能已有一個特定的LED規(guī)格,，而本文討論的所有設(shè)計,，都可以使用如美國國家半導(dǎo)體的WEBEBCH LED Designer在線設(shè)計工具進行開發(fā)，可以鍵入輸入電壓(34伏特直流電),、LED類型/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(qū)動九個LED組合而成的24VAC燈串,，整流后為34伏特直流電(VDC)。而透過在線工具中的參數(shù)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,，其實并沒有大量可支持的線路。在此情況下,，僅有美國國家半導(dǎo)體的LM3401和LM3409兩款LED驅(qū)動器可作支持,，若把LED的數(shù)量從九顆減少至八顆，在驅(qū)動器的選擇上才會增加,。
值得注意的是,，當(dāng)燈串的LED數(shù)量增加時，則須要經(jīng)由電壓的升壓來支持,，現(xiàn)今大多低電壓交流電應(yīng)用的主要轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇榻祲恨D(zhuǎn)換器(輸出到LED的驅(qū)動電壓比輸入到轉(zhuǎn)換器的電壓還低),，這是對較少LED線路的主要觀點。
了解驅(qū)動器角色對癥下藥
一般來說,，盡可能使用單一驅(qū)動器來驅(qū)動多個LED最符合成本效益,，然并不主張在單一驅(qū)動器中使用并聯(lián)線路，而是希望串聯(lián)線路盡可能延長,；其有利條件在于,，即使線路受到嚴(yán)格規(guī)范和保護，亦可確保通過LED的電流皆相同,。如此一來,，一個較大的輸入電壓就能簡單驅(qū)動大量的LED線路，只是在經(jīng)過整流后,，該線路通常會流失一半的交流電電壓值,，故其優(yōu)勢大打折扣；為解決此一問題,，則可改采升壓解決方案(輸出電壓比輸入電壓大時),，以減輕驅(qū)動大量LED線路的負(fù)擔(dān)。
另一個觀點是,，若燈串可維持低于二十個LED(Vf=3.5V和350mA的LED驅(qū)動電流),，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(dǎo)體任一款LM342X驅(qū)動器達到,，它提供過壓/欠壓保護機制,、電流限制，以及依需求選配的過熱保護功能,。
此外,，對于驅(qū)動器裝置特色的了解在電路設(shè)計上扮演重要的角色，如是否須支持脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光,、模擬調(diào)光等,，或是為改變光源輸出是否須加入一些光學(xué)要件及過熱保護，以上考慮均為選用何種驅(qū)動器的因素。
針對上述需求,，LM3421/23驅(qū)動器具備阻止和察覺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(yīng)的應(yīng)用來說，是很合適的組件,。而LM3424內(nèi)建的過熱保護功能有利于光學(xué)或過熱保護應(yīng)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(qū)動器,，但仍具有在升壓應(yīng)用中的過壓保護和電流限制,，協(xié)助升壓檢測。
圖1所示為驅(qū)動二十個LED,，每一個平均電流均為350毫安,，3.5伏特順向電壓的電路圖,，此外,，電路也許會因為須要進行模擬調(diào)光(當(dāng)輸入減少時光源的輸出就會降低)而有所改變，以符合簡單又全面受到保護的線路驅(qū)動器,。如欲尋求更嚴(yán)格的顏色準(zhǔn)確度,，可采用PWM調(diào)光。
圖1 大型數(shù)組設(shè)計應(yīng)用LM3429的升壓配置,，采用24VAC系統(tǒng),，在電流為350毫安的條件下，可驅(qū)動二十個LED,。
大電容方案降低漣波 延長電解質(zhì)電容壽命
有一個簡單的概念是應(yīng)用升壓解決方案來恢復(fù)以交流電整流驅(qū)動大量LED燈串時損失的電壓,，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,，系統(tǒng)是如何在單一附件下拓展成每個線路都受到完整保護的高規(guī)格設(shè)計。
若進一步采用四條這樣的電路,，則每條線路均能達成完整保護和控制的100瓦設(shè)計目標(biāo),，為實現(xiàn)此一架構(gòu)，則可能在前端使用一個一般的整流器(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(shè)計如果在低電壓系統(tǒng)下有300～600瓦的可用電力，25安培的總電流對設(shè)計人員而言就具有很多選擇,。舉例來說,，從D1～D4需要被規(guī)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(zhuǎn)換區(qū)),，ΔE為可允許的漣波電壓，而f則是交流電頻率。由于此設(shè)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(qū)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，將可適當(dāng)調(diào)整二級管整流器的規(guī)格,。
另一方面,，可接受的漣波也影響著電容的需求，舉例來說,，執(zhí)行一個800毫安的輸入電流,，且在120Hz線路上允許一個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,。
小型數(shù)組設(shè)計挑戰(zhàn)重重 降低電容溫度勢在必行
另一個極端的設(shè)計范圍是小型數(shù)組設(shè)計,，該設(shè)計可能是單一LED組件或是一個單獨的組件中包含三個組件，可讓1瓦變成3瓦的現(xiàn)代化LED照明效率解決方案,，在環(huán)境和公園照明設(shè)備中頗受歡迎,。
小型數(shù)組設(shè)計對105℃額定值的電容而言，讓它們保持冷卻在65℃及更低的溫度,，為此設(shè)計中較薄弱的環(huán)節(jié),；不過，由于電解質(zhì)電容每低于額定溫度10℃,，就能增加一倍的使用壽命,，意味著若一個設(shè)計師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長十六倍的額定壽命,，在此比率下,，5,000小時的額定電容可延長到80,000小時，對小型數(shù)組設(shè)計來說,，雖為極大的挑戰(zhàn)但仍勢在必行,。
由此可證，良好的熱能設(shè)計在LED應(yīng)用扮演關(guān)鍵角色,，且使用有效率的驅(qū)動器如LM3429,，則使設(shè)計挑戰(zhàn)更容易解決。在此設(shè)計上,，最熱門的裝置是單結(jié)型場效應(yīng)晶體管(FET)M1開關(guān),，其可達到約65℃的溫度表現(xiàn),，雖然并沒有多大影響，但是設(shè)計者必須確定它與其他重要熱源均與電解質(zhì)電容保持距離,，且所有板上的組件都保持在50℃以下,，可見從LED散出的熱能永遠(yuǎn)是最大的挑戰(zhàn)，而不是電子學(xué),。
小型數(shù)組設(shè)計獲櫥柜/展示用照明青睞
櫥柜和展示用照明是低電壓交流電系統(tǒng)中,，關(guān)于小型數(shù)組設(shè)計的另一個受歡迎應(yīng)用，可考慮一個3伏特正向電壓,、350毫安,、1瓦的LED，搭載一個簡單的12VAC系統(tǒng),，即可因降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)提供充分余量,，并可有效率的驅(qū)動LED。如圖2所示,，LM3407提供一個350毫安的輸出限制,、小型封裝，和極少的外部組件,，以驅(qū)動此類型的LED,。由于低功率消耗的設(shè)計(在輸入端稍為超出1.5W)概念,，可在一個單獨的低電壓12VAC電路支持多達兩百個模塊,，若使用24VAC系統(tǒng)操作，則可超過兩百五十個(大部分低電壓系統(tǒng)的電流限制最大為25安培),。
圖2 符合小型數(shù)組設(shè)計的LM3407采用12VAC系統(tǒng),，可驅(qū)動電流為350毫安的3Vf單一LED。
反觀交流對直流(AC-DC)的轉(zhuǎn)換則是以大型數(shù)組設(shè)計處理,，基于直流對直流轉(zhuǎn)換區(qū)的輸入電流,，可為輸入整流二極管和保持電容選擇適當(dāng)值。在此設(shè)計中,，小于100毫安的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容,，因此，330μF將能輕易實現(xiàn)這樣的需求,。
有一項額外考慮系針對較小負(fù)載設(shè)計而生,，主要系一次側(cè)變壓器的工作可能需要某一個最低負(fù)荷，當(dāng)處在非常小且低功耗的系統(tǒng)中,，便須要特別考慮此問題,。以一個60瓦低電壓交流變壓器而言，可能需10瓦的負(fù)載才能正常運行,，而LED裝置的效率可根據(jù)主電源的供應(yīng)范圍處理該問題,。
舉例來說，在美國國家半導(dǎo)體的RD-148參考設(shè)計中，運用LM3405A展示在12VAC系統(tǒng)下驅(qū)動一個3.6Vf,、600毫安的單一LED解決方案,。而基于該參考設(shè)計架構(gòu)的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模塊中，因其有較小的封裝尺寸(LM3405A采SOT23封裝)和極少的外部組件,。透過RD-148的實例,，將能簡易實行一個尺寸為14毫米×21.5毫米的完整解決方案，甚至是更小的解決方案也可能實現(xiàn),。
實現(xiàn)中型數(shù)組系統(tǒng) 熱能管理至為關(guān)鍵
目前中型設(shè)計(中型數(shù)組,，但許多個別系統(tǒng))已提出最新的進展，藉由使用單一封裝的較大多組件數(shù)組就能提高照明輸出,，且有更好的效率和熱能管理技術(shù),。欲完成此種設(shè)計，可考慮一個10.5伏特的Vf暖白光數(shù)組,，和一個典型的640毫安電流,。值得注意的是，維持?jǐn)?shù)組在典型的電流或適當(dāng)?shù)臒崮芄芾碓O(shè)計,，特別能延長產(chǎn)品壽命,，甚至是在高溫有害的環(huán)境中，雖然這對許多IC驅(qū)動器是很困難的挑戰(zhàn),，但在市場需求的推動之下,，可預(yù)期不久之后就有大量符合此需求的產(chǎn)品出現(xiàn)。然而,，在經(jīng)過幾個設(shè)計循環(huán)后,，產(chǎn)業(yè)界便發(fā)現(xiàn)許多整合FET的驅(qū)動器，對于熱能設(shè)計有處理上的困難,。
承續(xù)上述論點,，許多整合FET的產(chǎn)品在30℃環(huán)境溫度下操作，其IC接面點溫度超過90℃,，這代表組件在外部環(huán)境建議的操作溫度下,，只有35℃的余量(到達150～160℃時就會進入熱能關(guān)機，但最大的建議操作溫度是125℃),，這對熱能機械設(shè)計來說是很難處理的,，故須確保該情況不會在LED的應(yīng)用上發(fā)生。
熱能挑戰(zhàn)迎刃而解 高整合控制器功不可沒
總括來說,，60℃溫差的熱能循環(huán)(從LED帽到焊接點,，一直到驅(qū)動板)在設(shè)計上并不完美。談到LED的使用壽命和可靠性,，熱能永遠(yuǎn)是必須解決的問題,，而圖3所示的LM3409控制器就是一個優(yōu)異的選擇,，它能讓設(shè)計者透過各種外部組件將熱能排出，以一個低成本的P-Channel金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(PFET)外部組件為例,，藉由使用LM3409就能顯著降低系統(tǒng)溫度,，而其中最熱的組件應(yīng)該是53℃的PFET。
圖3 適合中型數(shù)組設(shè)計的LM3409采用12VAC系統(tǒng),，可驅(qū)動640毫安電流和10.4伏特的LED數(shù)組封裝,。
由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測試都在30℃環(huán)境溫度下進行,，這表示其擁有充分的熱能余量,，也使設(shè)計者更容易達到熱能設(shè)計的目標(biāo)。此外,，LM3409系一個高度整合的控制器,，特別是用于固定電流的LED驅(qū)動應(yīng)用中，所以只需要少數(shù)的外部組件,，便可以解決尺寸問題和降低生產(chǎn)成本,。
LM3409亦具有容易進行調(diào)光控制的優(yōu)勢，不論是PWM調(diào)光(在EN接腳上)或是模擬調(diào)光,，均可藉由一個電壓分壓器隔開主要輸入軌來獲得模擬調(diào)光功能,，如此一來，就能在輸入電壓直接降低時,，連帶使LED電流下降,，以達到設(shè)計彈性。其次,，如果要求絕對色彩準(zhǔn)確性或其他特殊的調(diào)光功能,，則可使用PWM訊號(外部的微控制器或類似裝置所提供)或是模擬IADJ接腳,，完成此一需求,。
另一方面，LM3409具有兩個有效的監(jiān)視電流回路,，一個是設(shè)置在高端電流感測電阻RSNS,，另一個直接在ISENS。設(shè)計者有三個方法經(jīng)由ISENS來達到模擬調(diào)光,，首先是透過ISENS開路以讓RSNS控制LM3409,；再者系提供接腳一個從0～1.24伏特的外部電壓(由RSNS設(shè)置時1.2伏特是最大輸出)；或可從接腳到地面連結(jié)一個分壓器以改變電流(永遠(yuǎn)將RSNS設(shè)置到最大),。
透過以上三種方式,，在交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)由電壓分壓器到主輸入軌就能輕易連結(jié),；不過若選擇電壓分配器在1.24伏特時,，則可擁有最大的輸入電壓(12VAC系統(tǒng)16.97V,，24VAC系統(tǒng)33.94V)，因此,，當(dāng)輸入電壓較低時,，理所當(dāng)然會產(chǎn)生一個較低的光源輸出。
而值得討論的是,，該情況與不具典型調(diào)光裝置驅(qū)動器的差別,，或沒有這個連結(jié)的話，LM3409將如何表現(xiàn),。
由于上述情況均是針對直流對直流的調(diào)節(jié)器,，所以會有輸入到輸出改變的自然情形，有鑒于此,，想要對一個固定的電壓或電流加以控制的想法便應(yīng)運而生,。舉例來說，若不提供一個調(diào)光訊號,，電路就會嘗試維持電流的規(guī)格,，直到輸入電壓接近輸出電壓(LED驅(qū)動電壓)，且輸出電平將不會改變,，直到輸入端進入電路訊號損耗區(qū)(通常是在降壓調(diào)節(jié)器運作下驅(qū)動電流時,，輸入的伏特數(shù)高于所要求的輸出)，當(dāng)輸入電壓開始下降時,，輸出電壓也隨著快速減少,。
反觀在PFET控制器的調(diào)節(jié)下，LM3409只有小范圍的改變,，能夠在整個工作周期下,，維持非常低的損失，其使用模擬調(diào)光功能可以線性方式降低LED電流,，使LED具備可調(diào)光的設(shè)計,，在開關(guān)關(guān)閉前達到欠壓鎖定設(shè)定(或者可以用極小的輸出電壓驅(qū)動LED)。藉由改變電壓的方式來達到調(diào)光功能,，已能有效的控制輸入線路,，而在交流對直流的前端，則需要額外的電容以達到光源輸出后,，所造成的輸入漣波最小化,。
此外，透過直接鏈接調(diào)光功能到輸入電壓,，可不須顧慮LED驅(qū)動器的穩(wěn)定度,。除非充分過濾，否則輸入線路的任何暫時狀態(tài)都會顯示在輸出上,。因此,，該連結(jié)方式較不受到支持,，除非須要使用調(diào)光功能，讓IADJ維持開路,。
另一方面,，低電壓TRIAC調(diào)光裝置也可能會帶來設(shè)計上的挑戰(zhàn)。使用調(diào)壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調(diào)光系統(tǒng),，若使用類似的電路就可以良好的運作,，不過，TRIAC調(diào)光系統(tǒng)需要額外的電路用以適當(dāng)?shù)淖g碼截波波形,。
低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED 照明解決方案大小通吃
總結(jié)而言,，低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED照明效能，可提供設(shè)計者創(chuàng)造各式各樣從小型到大型照明解決方案的能力,。美國國家半導(dǎo)體擁有適用于24VAC和12VAC系統(tǒng)廣泛的產(chǎn)品組合,，以協(xié)助實現(xiàn)其設(shè)計，在五花八門的產(chǎn)品陣容下,，決定使用那種解決方案則取決于組件的特色,，以及所需的解決方案尺寸。
尤其須要注意的是,，整體系統(tǒng)的設(shè)計須透過現(xiàn)今驅(qū)動器的一些特性與進展,，才能作出正確的決定，并使設(shè)計變得更簡易,、更健全和有效降低成本,。擁有完備的解決方案知識，將能夠進一步實現(xiàn)兼具快速及成本效益的解決方案,，亦讓設(shè)計人員擁有許多可用的選擇,。
不僅如此，低電壓交流電LED在簡化設(shè)計方面也提供穩(wěn)定的電路分析,，有關(guān)這些優(yōu)點都能節(jié)省設(shè)計時間和金錢,，同時也能提升產(chǎn)品的可靠性。