關(guān)于LED交直流驅(qū)動電路設(shè)計(jì)分析和應(yīng)用

LED需要在直流（DC）下工作；然而，交流電流（AC）是長距離傳輸電力的最有效方式?；谶@一原因，設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，根據(jù)現(xiàn)成的AC將其合理的轉(zhuǎn)換成可用于LED照明應(yīng)用的DC。本文將揭示AC到DC線驅(qū)動的問題，以及電子元件供應(yīng)商目前的解決方案，為LED在一個充滿交流的世界中提供其需要的直流電。

背景

驅(qū)動LED系統(tǒng)的最簡單方式是使用一個現(xiàn)成的直流電源，比如電池可以提供所需的驅(qū)動電流。以電池作為直流電源有其優(yōu)勢，依據(jù)所需的特定電壓，LED可以在相對安全的電壓下工作，這時電路相對簡單并且容易設(shè)計(jì)。目前許多離散的照明級LED部署時采用約3伏的直流電壓，它們可以串聯(lián)、并聯(lián)或者串并組合排列以達(dá)到標(biāo)稱電壓，從而獲取所需光線，并緊密地匹配相應(yīng)的直流電源。盡管DC是驅(qū)動LED的一個很好的方式，但直流配電系統(tǒng)很少適用于一般照明燈具。

與此相反，交流電普遍存在于家庭、工業(yè)、辦公室和建筑物中——通常將其放置在靠近LED照明系統(tǒng)所在的地方。交流系統(tǒng)需要比DC更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，因?yàn)楸匦柙谀硞€階段將交流轉(zhuǎn)換直流。AC到DC線驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換是LED照明行業(yè)目前面臨的一個共同挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰獞?yīng)用于幾乎所有應(yīng)用的LED實(shí)現(xiàn)中，隨著它取代其它的技術(shù)，如白熾燈、熒光燈和鹵素?zé)?，這一問題越來越受到重視。

目前的解決方案

許多電子和LED公司為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，目前正努力提供LED相關(guān)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品支持LED照明應(yīng)用所需的交流到直流的直接轉(zhuǎn)換。首批進(jìn)入這一市場的廠家和相應(yīng)產(chǎn)品的是首爾半導(dǎo)體的Acrich產(chǎn)品線。目前正銷售的是Acrich2，這是一個帶功率狀態(tài)IC的完全集成模塊。它可用于交流驅(qū)動應(yīng)用，并且也不需要傳統(tǒng)的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗梢酝ㄟ^兩根引線直接連接到交流電源。它采用了螺紋式線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些LED模塊也具備高功率因子，可以在許多照明應(yīng)用中取得最佳的節(jié)能效果。首爾半導(dǎo)體已發(fā)布了Acrich3，將提供更多改進(jìn)，包括降低閃爍。

”

設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該知道在應(yīng)用中可以容忍多少LED紋波電流。AC到DC轉(zhuǎn)換直接線方案中，用戶注意到的一個常見問題是閃爍。閃爍是由AC線信號的頻率產(chǎn)生的，依據(jù)于具體的國家，通常這一頻率為50-60赫茲。在螺紋式線性方案中100％的電流紋波案例會導(dǎo)致頻閃（閃爍）效應(yīng)，用戶在使用時出現(xiàn)生理排斥問題，并且對存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作環(huán)境產(chǎn)生危害。美國能源署發(fā)布的固態(tài)照明技術(shù)簡介：閃爍中寫道：“LED閃爍的問題主要由LED驅(qū)動器造成?！?/p>

在過去幾年，更高電壓的LED已經(jīng)開始出現(xiàn)，并且擴(kuò)大了LED照明的范圍。這種更高電壓LED的推出剛好迎合了人們對更高效LED照明系統(tǒng)功效的期望。這些更高電壓的LED通常工作在10-50V的直流電壓范圍內(nèi)。

其中的一個示例是Cree公司的新一代高電壓LED產(chǎn)品XLampMH-B。它們是新一代高功率LED，能夠比中等功率（0.5W@，典型值）的LED以更有效的方式提供低成本系統(tǒng)。它們采用5 x 5毫米的封裝，其典型正向電壓（VF）為37VDC@0.12A，以及0.175A（Imax）的最大驅(qū)動電流（最大功率7W）。由于交流線驅(qū)動系統(tǒng)的固有更高電壓，大量新型電子產(chǎn)品可以將AC變換為DC并且輸出較高的直流電壓，以適應(yīng)正在開發(fā)的這些新型LED。例如，大約四（4）個這樣的產(chǎn)品串聯(lián)在一起接近美國交流線（4×37VDC=148VDC）的電壓峰值。

一種創(chuàng)新方式

德州儀器一直在努力從事AC到DC轉(zhuǎn)換的線驅(qū)動研發(fā)。德州儀器擁有屢獲殊榮的完整產(chǎn)品組合，包括LED驅(qū)動器和解決方案，幫助照明開發(fā)商靈活地優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)，以應(yīng)對這個活力無限市場的苛刻挑戰(zhàn)。最近德州儀器推出了一對新產(chǎn)品，提供了更優(yōu)、更簡單的方式為LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AC到DC的轉(zhuǎn)換。今天德州儀器交流方案相比所有已知競爭對手的明顯優(yōu)勢是，可以實(shí)現(xiàn)低LED電流紋波，從而消除閃爍問題。

德州儀器TPS92411 100V懸浮MOSFET開關(guān)（下圖）是通過AC電源來驅(qū)動LED的高性能方案，可提供高功率因子（PF），低總諧波失真（THD）和低電流紋波。該產(chǎn)品旨在解決和減少閃爍引起的生理和安全問題。它的解決思路如下：僅使用交流電，然后在內(nèi)部設(shè)計(jì)中增加存儲電容器從而緩沖所產(chǎn)生的能量，以二進(jìn)制開關(guān)結(jié)構(gòu)下的受控方式進(jìn)行交流到直流的變換，在調(diào)制深度上有所減少。該方法的期望優(yōu)點(diǎn)是降低閃爍指數(shù)——從而化解潛在的生理和安全問題。在螺紋式線性設(shè)計(jì)中電流基于“連通”電流步進(jìn)。這通常提供了良好的PF校正（> 0.9），但THD很糟糕（THD <30％）。德州儀器開關(guān)式線性設(shè)計(jì)吸收真正連續(xù)的正弦電流，從而產(chǎn)生良好的PF校正（> 0.9）和低THD（<15％）。該TPS92411還采用了獨(dú)特的2n開關(guān)步進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢，使設(shè)計(jì)人員能夠控制分辨率。這意味在一個設(shè)計(jì)中使用4個零部件可以達(dá)到16個步進(jìn)（即：2^4 = 16級）。對于用戶來說其優(yōu)點(diǎn)是較高的LED利用率和更好的AC線路追蹤 。它采用了一種懸浮結(jié)構(gòu)，其中每個TPS92411獨(dú)立操作，因此沒必要進(jìn)行IC間通信，同時低擺率控制開關(guān)還可以降低電磁干擾（EMI）。

德州儀器TPS92410開關(guān)控制直接驅(qū)動線性控制器（下圖）補(bǔ)充輔助TPS92411。它是高度集成的450V線性電流控制器，與TPS92411懸浮開關(guān)協(xié)同工作，可以提供額外的控制和保護(hù)功能。能量轉(zhuǎn)換或EMI濾波時無需磁性元件。該TPS92410/11的配對可達(dá)到>0.95 PF，良好的線性整流，以及大于80％的效率。設(shè)計(jì)師尋求更高的可靠性可以采用熱折返功能，當(dāng)溫度過高時它會自動降低LED電流。促進(jìn)智能、物聯(lián)網(wǎng)連接的照明是它的一大優(yōu)勢，因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)或RF微控制器（MCU）可以使用暗淡模擬輸入來更容易控制光強(qiáng)度。

為獲得更進(jìn)一步的控制、特性和優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)師可以在基于MCU的燈具中考慮增加更多的智能控制，比如使用超低功耗16位混合信號微控制器MSP430F5172 或SimpleLinkZigBeeCC2530片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，以應(yīng)對802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用。使用這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師可擁有許多有用的通信、控制和調(diào)光功能。

總而言之，需要注意到，LED在一個交流為主體的世界中需要轉(zhuǎn)換到直流下工作。LED和電子驅(qū)動器的供應(yīng)商通過開發(fā)各種方案來解決這一問題，包括（1）通過螺紋式線性AC驅(qū)動器直接轉(zhuǎn)換交流電到直流電，（2）為LED封裝提供一系列電壓平臺，（3）專門針對閃爍問題開發(fā)高性能分立電子元件方案。LED和AC線驅(qū)動電路的進(jìn)步在更好地融合，進(jìn)一步簡化了LED照明設(shè)計(jì)。