為滿足家用LED照明應用市場日益嚴苛的產(chǎn)品要求,，新一代脫機式LED驅動器具備電氣隔離,、高效率、功率因子校正和Triac調(diào)光等功能,，并提供良好調(diào)節(jié)的電流,，以保持一致亮度，同時各種保護功能,，也提高系統(tǒng)可靠性,。 

 
　　在過去幾年中，顯示器背光照明應用一直是驅動發(fā)光二極管(LED)市場成長的主要因素。不過現(xiàn)今LED通用照明在商用和住宅市場的吸引力越來越大,，也進一步加速了LED市場的成長,。根據(jù)市場研究機構LEDinside的研究報告指出,，2010年商用高流明LED照明系統(tǒng)出現(xiàn)快速成長,。這是由于就大多數(shù)消費者而言，家用LED照明仍然太過昂貴,。反觀,，對于停車場、辦公室,、工廠,、倉庫等商用領域，LED照明卻能帶來節(jié)能和環(huán)保等長期益處,，加上相關的減稅政策,，因此這些應用領域的LED照明使用量將出現(xiàn)大幅成長。

　　家用LED照明市場將加速成長

　　LED燈不僅可以取代高壓鈉燈,、鹵素燈和白熾燈,，而且在某些領域還能取代節(jié)能熒光燈(CFL)和熒光燈。LED商用照明將迅速成長并得到廣泛采用,，而2012年則是家用LED照明關鍵的一年,。 

　　在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的25～40%,，因此商業(yè)應用開始改用LED照明,，其實并不令人感到意外。由于此類應用需要高強度,、長時間照明,，所以節(jié)省電能導致的經(jīng)濟回報亦相對短期。另外,，LED附屬裝置壽命很長,，因此大幅降低LED燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈具本身的成本,，還包括動手更換的勞動成本,，而通常在某些應用中，例如高階燈照明應用的拆裝,，這些需要專業(yè)級的勞動成本則都是很高,。 

　　整體而言，從大多數(shù)消費者的角度著眼的話,，通用的家用LED照明仍然太過昂貴,，不過，未來隨著LED附屬裝置價格下降和LED更加廣泛供貨，照明市場在住宅領域也將出現(xiàn)大幅成長,。大多數(shù)分析師都預期,，住宅市場于2012年以后將加速成長。 

　　LED驅動器IC設計考慮多方多面

　　正如前面所提,，LED照明市場高成長率背后的主要驅動因素是其能大幅降低功耗,。若與白熾燈照明相比，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,，但也有更多挑戰(zhàn),。LED的優(yōu)勢包括壽命比白熾燈更長，這大大降低了更換成本,；尤其是在住宅照明市場,，能利用以前安裝的雙向硅控整流器(Triac)調(diào)光器給LED調(diào)光也是一個主要的優(yōu)勢。LED燈可實時接通,，毋需像CFL的預熱時間,，而且LED燈對電源周期不敏感，這一點也與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可實現(xiàn)新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術則不可能做到,。 

　　此類新型LED照明應用所涉及的范圍非常之廣,，從4瓦(W)的旋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燈須要依靠現(xiàn)有的交流電(AC)脫機式電源(視終端應用所處地理位置的不同,，通常為90～265交流電壓(VAC)來工作。為獲得從AC脫機式電源來高效驅動LED的能力,，因而產(chǎn)生一些相當獨特的LED驅動器IC設計難題,。 

　　LED驅動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,，還須提供電氣隔離,。此外，LED驅動器也得提供功率因子校正(PFC)和低諧波失真性能,，以適用于多種應用,。不僅如此,，在很多住宅應用中，LED驅動器還必須提供用現(xiàn)有Triac調(diào)光器調(diào)光的能力,。最后,，解決方案須具備成本效益，且總體面積要精小,，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案,，以吸引商用和住宅用戶用LED燈更換現(xiàn)有照明燈?？偠灾?，必須要有能夠滿足這些要求的LED驅動器IC可用,，這對LED照明應用普及化至關重要,。 

　　LED功率節(jié)省仍有精進空間

　　LED照明市場迅速成長背后的主要驅動力之一是與白熾燈甚至CFL照明相比，LED燈可節(jié)省較多的功率,。因此,，研究一下用現(xiàn)有LED能節(jié)省的功率以及未來幾年內(nèi)，其功率將如何進一步節(jié)省,。 

　　目前60W白熾燈可提供約800流明,，可轉換為13.3流明/瓦(lm/W)。而現(xiàn)有LED就商用產(chǎn)品而言,，效率在50～170lm/W之間,。未來的LED則將提供范圍為200～230lm/W的效率。然而,，最大的理論效率約為250lm/W,。 

　　就照明用途而言，可考慮100lm/W的LED,。LED本身所需要的電功率為8W,。不過，交流對直流(AC-DC)LED驅動電子線路的效率也必須考慮在內(nèi),，就高性能LED驅動器而言,，此效率為85%。因此,，脫機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65lm/W這個更加保守的數(shù)字,，那么相對于白熾燈耗用的功率而言，LED功率可降低75%,。展望未來,，當提供200lm/W的LED可用時,，功率將節(jié)省多達92%。為滿足目前能源之星的要求,，相對于標準白熾燈,，LED燈的功率須至少降低75%，才能取代白熾燈,。 

　　脫機式供電設計難度高

　　能用脫機式電源驅動LED就可使應用越來越快地增加,，因為在商用建筑和住宅中，可以非常便利且輕易得到這種形式的電源,。盡管LED燈的附屬裝置相對簡單,，最終用戶非常容易安裝，但是對LED驅動器IC的要求卻也大幅提高了,。因為LED須要一個良好調(diào)節(jié)的定電流源,，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計方法,，并要滿足一些特別的設計需求,。 

　　例如，在世界上不同地區(qū),，脫機式電源參數(shù)可能不同,，一般在90～265VAC之間，頻率則為50～65Hz,。因此要制造通用全球市場的LED附屬裝置,，最好擁有這樣一個無須修改就能使LED用在全球任何地方的電路設計，想達到這樣的目標,，就需要單一LED驅動器IC能處理多種輸入電壓和頻率的功能,。 

　　除此之外，還有很多脫機式LED應用需要LED與驅動電路之間實現(xiàn)電氣隔離,，這主要是出于安全上的考慮,，同時亦是幾家監(jiān)管機構所嚴格要求的。電氣隔離一般由隔離型反馳式LED驅動器架構,，該架構運用變壓器隔離驅動電路的主端和副端,。 

　　采用LED照明的動力來自于提供特定光輸出量所需的功率可大幅降低，因此當務之急是LED驅動器IC要提供最高效率,。因為LED驅動器電路必須將高壓AC電源轉換為更低的電壓和良好調(diào)節(jié)的LED電流,，所以LED驅動器IC必須設計為可提供高于80%的效率，以不浪費功率,。 

　　而且為了配合在住宅應用中常見的Triac調(diào)光器已大量安裝到位的情況下,，使LED普及應用成為可能，LED驅動器IC必須與這些調(diào)光器一起高效運作,。Triac調(diào)光器專為與白熾燈和鹵素燈很好配合工作而設計,，這兩種燈是理想的電阻性負載,。然而，LED驅動器電路一般是非線性的,，而且不是電純阻性負載,。其輸入橋式整流器在AC輸入電壓處于其正峰值和負峰值時，通常須吸收高強度的峰值電流,。因此,，LED驅動器IC必須通過設計來「模仿」一個純電阻性負載，以確保LED在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確啟動,，并利用一個Triac進行適當?shù)恼{(diào)光,。  

 　　PFC左右驅動電路性能

　　就LED照明而言，PFC是一個重要的性能規(guī)格,。簡言之,，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么功率校正因子為1,。因為白熾燈是一種理想的電阻性負載,，所以輸入電流和電壓同相，且PFC為1,。PFC特別重要，因為它與本地電力供貨商所須提供的電功率有關,。 

　　換言之,，在一個電力系統(tǒng)中，與一個具有高功率因子的負載相比,，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下,，一個具有低功率因子的負載可吸取更大的電流。因為所需電流較高,，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了,，因此需要更粗的導線和其他傳輸設備。然而,，較大的設備和能源浪費增加了成本,，所以電力公司通常對功率因子較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費用。LED應用的國際標準仍然處于開發(fā)中,，不過大多數(shù)人相信,，就LED照明應用而言，將要求PFC>0.90,。 

　　LED驅動器電路(包括大量二極管,、變壓器和電容器)的表現(xiàn)不像一個純電阻性負載，其PFC可能低至0.5,。為了將PFC提高到0.9以上,，主動或被動PFC電路都必須設計到LED驅動器電路內(nèi),。此外，在采用數(shù)百個以上50瓦LED燈的應用中,，高PFC尤其重要,，在這種情況下，高PFC(>0.95)LED驅動器設計是有益的,。 

　　另一方面,，高PFC還有一點也很重要，即是最大限度降低LED附屬裝置的諧波失真,。國際電工委員會(IEC)已制定了C類照明設備諧波性能規(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。 

　　滿足成本及尺寸要求　精簡LED驅動電路勢在必行

　　在照明應用中,，能在較寬的線電壓,、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準確調(diào)節(jié)LED電流是至關重要的，因為LED亮度的變化必須是人眼難以察覺的,。同樣的,，為確保LED有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅動LED相當重要,。在隔離型反馳式應用中,，LED電流的調(diào)節(jié)并不是直接進行，常常須要一個光耦合器來閉合所需的回饋回路,，或者可能增加一個額外的轉換級,。然而，這兩種方法都帶來復雜性和可靠性等問題,。幸運的是,，有些LED驅動器IC的設計采用新的設計方法，無需這些額外的組件或不增加設計復雜性,，就能準確調(diào)節(jié)LED電流,。 

　　然而，要從白熾燈迅速向LED燈轉變,，最大的障礙是在于LED解決方案的成本和尺寸,。雖然若考慮到在LED的壽命期內(nèi)電力成本和更換成本的降低，以這樣的價格換一個LED燈確實有經(jīng)濟意義,，但若要消費者花近1,000美元換一個LED燈,，依然是很大的障礙。因此,，目前仍以倉庫,、車庫等支付大量照明電費的商業(yè)企業(yè)轉向LED照明的速度較快，而此費用的節(jié)省亦更加明顯,。隨著LED燈購買費用的下降,，未來將有更多的消費者愿意轉向LED照明,。 

　　另一方面，同樣重要的一個因素是LED照明解決方案的尺寸,。很多LED燈都是直接旋入燈座的,，因此整個解決方案必須與原來使用的白熾燈有相同的形狀和體積。由于LED需要散熱器和許多復雜的驅動器電路,，所以在相同的體積中裝入這兩樣東西將可能是種挑戰(zhàn),。因此，消費者需要的是一個簡單,，且接腳面積精簡的解決方案中,，可提供所有功能的LED驅動器IC。 

　　維持電流穩(wěn)定　隔離型反馳式LED控制器顯身手

　　為解決這些脫機式LED的所有驅動難題,，凌力爾特(Linear Technology)推出一款隔離型反馳式LED控制器LT3799,，具主動PFC，專門為在90～265VAC的通用輸入范圍內(nèi)驅動LED而設計,。LT3799以關鍵傳導模式工作,，最大限度縮減外部變壓器的尺寸，非常適用于驅動功率從4瓦至數(shù)百瓦的多種LED應用,。驅動高達20瓦的LED的整個電路如圖1所示,。這個特定電路可用Triac調(diào)光，且在90～265VAC的通用輸入范圍內(nèi),，能提供高達1安培(A)的LED電流,，同時提供超過86%的效率(圖2)。稍微改變一下外部組件,，這個電路就可進一步優(yōu)化，以在120,、240,、377VAC或幾乎任何常見的AC輸入情況下使用。 

 
圖1 隔離型反馳式LED控制器電路范例

 
圖2 LT3799在通用輸入電壓范圍內(nèi)的效率

　　LT3799運用單級設計,，使整個LED驅動電路(包括EMI濾波器)僅需要四十個外部組件,，從而使該解決方案簡單、接腳面積精簡且具成本效益,。圖1中的20W電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米,，高度僅為30毫米，從而成為種類繁多的LED應用的理想選擇,。此外,，其獨特的內(nèi)部電路提供高達0.98的主動PFC，容易滿足美國能源部(Department of Energy, DOE)的要求,，同時還符合IEC 61000-3-2C類照明設備諧波要求(圖3),。 

 
圖3 具主動PFC的LT3799VIN和IIN波形

　　在整個輸入電壓,、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中可看到當輸入從90VAC變到150VAC時,，LED電流保持了±5%的穩(wěn)定度。該組件用一個獨特的電流檢測電路取代光耦合器,，以向二次側提供良好調(diào)節(jié)的電流,。不僅降低成本，也改進了可靠性,。不僅如此,，該組件還能與標準壁式Triac調(diào)光器一起使用，而不會產(chǎn)生任何可見閃爍,。整合式的LED開路和短路保護確保多種LED應用具有長期可靠性,。最后，其散熱強化型MSOP-16封裝有助于形成非常精小的LED驅動器解決方案,。 

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

　　由脫機式電源供電所帶起的通用LED照明應用市場,，已開始出現(xiàn)空前的成長，其背后的驅動力,，是市場對更高性能和具成本效益的照明應用需求,。然而，這些新興的性能要求必須使用新的LED驅動器IC才能滿足,。而這些LED驅動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，這些驅動器還必須提供良好調(diào)節(jié)的LED電流,，以保持一致的亮度,，同時提供各種保護功能，以提高系統(tǒng)可靠性,。而這些LED驅動器電路也必須能構成非常精小和具成本效益的解決方案,，幸運的是，目前已有廠商可供應這類脫機式LED驅動器了,。