中心議題：

• LED照明設計驅動電源的要求
• 脫機式LED照明設計案例分析

因應脫機式LED在一般照明的應用需求，LED驅動器除須提供電氣隔離、高效率、PFC>0.90和TRIAC調光功能外
，還要有良好的LED電流調節
，以保持一致的亮度。同時
，不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化
，LED驅動器都必須提供保護功能，以確保係統可靠性。本文介紹脫機式LED照明的設計案例。

與傳統照明方法相比，LED照明的功耗可大幅降低，這是LED照明高成長率背後的主因。若與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出(以流明為單位)，LED需要的電功率則不到白熾燈的25%。LED照明還有其他很多優勢
，包括工作壽命比白熾燈長，這可大幅降低更換成本
；能利用以前安裝的三端雙向可控矽開關閘流體(TRIAC)調光器為LED調光
，也是一個主要的成本優勢，尤其是在住宅照明領域。LED能實時導通，不像節能熒光燈(CFL)那樣需要預熱時間，而且LED對電源周期不敏感，這一點也與CFL不同。此外，LED不含任何須要管理或處置的有毒材料，而CFL需要有毒的水銀蒸氣才能工作。最後，LED能實現新的、非常扁平的外形尺寸，這是其他技術所無法做到的。

1、LED照明設計驅動電源的要求

使用脫機式電源驅動LED，可讓LED應用得以迅速成長，因為這種形式的電源在商用和住宅建築中相當容易取得。盡管LED燈更換對終端用戶來說實行起來相對簡單，但是對LED驅動器集成電路(IC)的設計困難度卻大大增加。由於LED需要良好調節的定電流源
，以提供恒定量的光輸出
，所以用交流電(AC)輸入電源為LED供電需要一些特殊的設計方法，而且有一些非常特殊的設計要求。

1.1 多種輸入電壓和供電頻率
依據在世界上不同地方的差異
，脫機式電源的範圍約為90～265伏交流電(VAC)，同時頻率範圍為50～65Hz。因此，要為全球市場生產LED燈
，理想情況是可提供無須修改就能適用於世界上任何地方的單一電路設計。這就需要單一LED驅動器IC能處理多種輸入電壓和供電頻率。

1.2 電氣隔離
此外，很多脫機式LED應用，要求其與驅動電路實現電氣隔離。這主要是基於安全考慮。電氣隔離一般由隔離反馳式LED驅動器架構提供，該架構利用一個變壓器隔離驅動電路的一次側和二次側部分。

1.3 高效率
采用LED照明背後的驅動力，是電源提供一定量光輸出所需的功率已大幅降低
，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交流電源轉換為在較低電壓時，能提供良好調節的LED電流

，所以LED驅動器IC必須設計為提供高於80%的效率，如此才不會浪費功率。

1.4 可利用TRIAC調光器調光
此外
，為了讓LED燈可以使用住宅應用中常見的TRIAC調光器，LED驅動器IC必須能有效地用這些調光器工作。TRIAC調光器係專門為白熾燈和鹵素燈而設計，這兩種燈是理想的電阻性負載。然而，LED驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)一(yi)般(ban)是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)
，而(er)且(qie)不(bu)是(shi)純(chun)電(dian)阻(zu)性(xing)負(fu)載(zai)。其(qi)輸(shu)入(ru)橋(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)器(qi)在(zai)交(jiao)流(liu)電(dian)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)處(chu)於(yu)其(qi)正(zheng)和(he)負(fu)峰(feng)值(zhi)時(shi)
，通(tong)常(chang)汲(ji)取(qu)高(gao)強(qiang)度(du)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。因(yin)此(ci)
，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在不產生任何明顯閃爍的情況下正確啟動，並利用一個TRIAC進行適當的調光。

1.5 功率因數校正
在LED照明中
，功率因子校正(PFC)是一個重要的性能規格。簡而言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相
，那麼就可實現等於1的功率校正因子。因為白熾燈是一種純電阻性負載，所有輸入電流和輸入電壓是同相的
，PFC為1。當PFC與(yu)本(ben)地(di)電(dian)源(yuan)所(suo)需(xu)電(dian)功(gong)率(lv)大(da)小(xiao)有(you)關(guan)時(shi)更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，在(zai)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)
，就(jiu)傳(chuan)輸(shu)相(xiang)同(tong)數(shu)量(liang)的(de)有(you)用(yong)功(gong)率(lv)而(er)言(yan)，功(gong)率(lv)因(yin)子(zi)低(di)的(de)負(fu)載(zai)比(bi)功(gong)率(lv)因(yin)子(zi)高(gao)的(de)負(fu)載(zai)汲(ji)取(qu)更(geng)大(da)的(de)電(dian)流(liu)。需(xu)要(yao)更(geng)大(da)的(de)電(dian)流(liu)會(hui)提(ti)高(gao)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)損(sun)失(shi)的(de)能(neng)量(liang)，而(er)這(zhe)又(you)導(dao)致(zhi)需(xu)要(yao)較(jiao)粗(cu)的(de)導(dao)線(xian)和(he)其(qi)他(ta)較(jiao)大(da)型(xing)的(de)傳(chuan)輸(shu)設(she)備(bei)。因(yin)為(wei)較(jiao)大(da)型(xing)不(bu)僅(jin)設(she)備(bei)成(cheng)本(ben)高(gao)且(qie)浪(lang)費(fei)能(neng)量(liang)，所(suo)以(yi)電(dian)力(li)公(gong)司(si)通(tong)常(chang)會(hui)向(xiang)功(gong)率(lv)因(yin)子(zi)較(jiao)低(di)的(de)工(gong)業(ye)或(huo)商(shang)用(yong)客(ke)戶(hu)收(shou)取(qu)更(geng)高(gao)的(de)費(fei)用(yong)。目(mu)前(qian)LED應用的國際標準仍然在開發之中，不過大多數人認為
，將要求大部分LED照明應用的PFC>0.90。

因為LED驅動器電路(包括很多二極管
、變壓器和電容)的表現不會與純電阻性負載一樣，所以其PFC可能低至0.5。為了將PFC提高到大於 0.9，主動或者被動PFC電路都必須設計到LED驅動器電路中。必須注意的是
，在運用大量LED照明數組的應用中
，高PFC尤其重要。例如
，在使用超過幾百個50瓦(W)LED燈的停車庫中

，高PFC(>0.95)LED驅動器設計將是很有利的。

1.6 低諧波失真
除了高PFC之外，將LED燈的諧波失真度降至最低也很重要。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission)已經製訂了IEC 61000-3-2 C類照明設備諧波規範

，以確保新的LED照明係統滿足這些低失真要求。

1.7 準確調節LED電流
在照明應用中，能在較寬的線路輸入電壓
、輸出電壓和溫度變化範圍內準確調節LED電流是至關重要的，因為LED亮度的變化必須是肉眼難以察覺的。相同地
，為了確保LED有最長的工作壽命，不用高於其最大額定值的電流驅動LED也是很重要的。在隔離反馳式應用中調節LED電(dian)流(liu)並(bing)不(bu)是(shi)很(hen)容(rong)易(yi)，常(chang)常(chang)還(hai)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)來(lai)閉(bi)合(he)所(suo)需(xu)的(de)回(hui)授(shou)環(huan)路(lu)
，或(huo)者(zhe)可(ke)能(neng)要(yao)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)額(e)外(wai)的(de)轉(zhuan)換(huan)級(ji)。不(bu)過(guo)
，這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)都(dou)增(zeng)加(jia)了(le)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)。所(suo)幸(xing)
，有(you)些(xie)LED驅動器IC采用新的設計方法，以確保無需這些額外的組件或增加設計複雜性，就能準確調節LED電流。

1.8 LED解決方案的成本和尺寸
要快速地從白熾燈過渡到LED燈，所麵臨的最大障礙之一是LED解決方案的成本和尺寸。一般而言，尤其如倉庫、停車庫等設施，因照明而支付高額能源賬單的商業企業會更快采用LED照明，因為費用節省更加明顯。隨著LED燈購買費用的下降，預期將有更多消費者願意轉向LED照明。

最後，同樣重要的因素則是LED照明解決方案的尺寸。很多照明燈都是直接旋進燈座就可以更換，因此整個LED解決方案必須能裝進與原來的白熾燈體積和形狀相同的空間中。LED需要一個散熱片和一個極複雜的驅動器電路，所以在與白熾燈體積和形狀相同的空間中
，裝入包括這兩個部分的整個LED解決方案
，可能是個挑戰。因此，所需要的LED驅動器IC要能在一個簡單、且麵積精小的解決方案中提供所有這些需要的功能和特性。
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2、高整合驅動器滿足脫機式照明要求

為了滿足脫機式照明的要求，例如高功率因子、高效率
、隔離和TRIAC調光器兼容性
，先前的LED驅動器采用很多外部分立式組件

，結果形成了既龐大又複雜的解決方案。而最新的驅動器LT3799則整合了脫機式LED照明需要的所有功能，解決了相關複雜性
、空間和效能問題。LT3799是一款具主動功率因子校正的隔離反馳式LED控製器，專門為在90～265VAC的通用輸入範圍驅動LED而設計。該組件以關鍵導通(邊界)模式控製一個隔離反馳式轉換器
，適用於需要4～100瓦或更高LED功率的LED應用。其新穎的電流檢測電路無須使用光耦合器，就能向二次側提供良好調節的輸出電流。其獨特的泄能(Bleeder)電路使得LED驅動器可與TRIAC調光器兼容
，而無須增設額外的組件。LED開路和短路保護則可確保長期可靠性。

圖1顯示一個完整的LED驅動器解決方案，其效率高達86%。從一次側開關電流波形檢測輸出電流。就一個以邊界模式工作的反馳式轉換器而言，輸出電流方程式為：IOUT=0.5×IPK×N×(1–D)，IPK代表峰值開關電流，N是一次側至二次側匝數比，D為工作周期比。該ICtouguoyizhongxinyingdehuikuikongzhidianlutiaojiefengzhikaiguandianliuhegongzuozhouqibiyicitiaojieshuchudianliu。yuxuyaozhidaoshurugonglvheshuchudianyaxinxideqitayicicejiancefangfabutong，zhezhongxinxingdianlutigongjiaohaodeshuchudianliutiaojie，yinweizhunquedujihubushoubianyaqiraozudianzu
、開關RDS(ON)、輸出二極管正向壓降和LED電纜壓降的影響。

3
、高功率因子/低諧波防止電流失真

透過使線路電流跟隨施加的正弦波電壓，這種高功能整合的驅動電路實現了高功率因子，並且滿足了IEC 61000-3-2 C類照明設備諧波要求。如果所吸取的電流與輸入電壓成正比，就能實現等於1的功率因子。其用一個從輸入電壓產生並與輸入電壓成比例的電壓調製峰值開關電流。如圖2所示，這種方法提供0.98或更高的功率因子。一個小帶寬回饋環路保持對輸出電流的調節
，而且不會使輸入電流失真。

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4、可與TRIAC調光器相容

當TRIAC調光器處於斷開狀態時，其實不是徹底斷開的。有相當大的漏電流通過其內部濾波器流至LED驅動器。這個電流為LED驅動器的輸入電容器充電，進而導致LED隨機開關和閃爍。過往的解決方案是增加一個泄能電路，該電路包括一個大且昂貴的高壓金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)。LT3799將變壓器一次側繞組和主開關用作泄能電路
，因此無需這類MOSFET或其他任何額外的組件。如圖3所示
，當TRIAC斷開時
，MOSFET閘極訊號為高，且MOSFET接通，進而泄放掉漏電電流，並保持輸入電壓為 0伏特(V)。TRIAC一導通

，MOSFET就無縫地變回正常的供電組件。

5
、獨特LED電流調節降低成本提高可靠性

此外
，LT3799在整個輸入電壓
、輸出電壓和溫度範圍內提供LED電流調節。從圖4可見，正如大多數美國照明應用所要求，當輸入從90VAC變到150VAC時
，LED電流保持在±5%的調節範圍內。LT3799采用一個獨特的電流檢測電路取代了光耦合器
，以向二次側提供良好調節的電流。此舉不僅降低了成本，還改善了可靠性。

6、LED開路/短路保護

通過變壓器的第三個繞組持續監視LED電壓。當主開關斷開時，第三個繞組的電壓與輸出電壓成正比，輸出二極管傳導電流。一旦過壓或LED開路
，主開關就斷開
，高精度比流器(CT)接腳的電容開始放電。然後該電路進入打嗝(Hiccup)模式。在LED短路情況下，VIN接腳電壓降至低於欠電壓(UVLO)門限之前，該IC以最低頻率運行，因為第三個繞組不能給該IC提供足夠的功率，然後該IC進入啟動排序狀態。

CTRL接腳控製電壓實現模擬調光LT3799的輸出可以通過多個CTRL接腳調節。例如
，輸出電流可以跟隨一個加到任意CTRL接腳的直流電(DC)控製電壓，以實現模擬調光。過熱保護和線路過壓保護功能也可以利用這些CTRL接腳輕鬆地實現。

創造更精小並具成本效益解決方案LT3799運用具整個LED驅動電路(包括電磁幹擾濾波器)的單級設計
，僅需要四十個外部組件，讓解決方案簡單
、配置麵積精小和具成本效益等優勢。圖1中20瓦電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米，厚度僅為30毫米
，非常適用於多種LED應用。透過改變幾個外部組件，這個電路就可以進一步為120VAC
、240VAC甚至377VAC應用或幾乎任何常見的AC輸入而優化。

為因應通用照明應用的脫機供電LED，不斷促進對高性能和具成本效益的LED驅動器IC解決方案需求。這類LED驅動器須提供電氣隔離、高效率
、PFC>0.90和TRIAC調光功能。並且提供良好調節的LED電流
，以保持一致的亮度，而不管輸入電壓或LED正向電壓如何變化，都必須提供保護功能以提高係統可靠性。向LED照明過渡的經濟性也要求LED驅動器電路須非常具成本效益
，慶幸的是，這類LED驅動器已經問世。