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低電壓交流電LED照明驅動選擇及電路設計

低電壓交流電LED照明驅動選擇及電路設計
2012-11-7

低電壓交流電LED照明應用興起

所有低電壓交流電照明系統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換成低電壓的方案,在任何負載下,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)的系統或24伏特600瓦的系統皆是。
 

鑒于上述原因,低電壓交流電照明在發光二極管(LED)照明應用中,相當受到青睞,該技術甚至可應用在300瓦的LED照明功率中,相當于三至四個街燈的輸出。此舉讓設計者在設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燈器設計,亦或是在這兩者之間的設計?纱_定的是,透過具彈性的LED照明應用設計,將使照明系統從傳統白熾燈大步往前邁進。

而在低壓交流電系統中,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中裝置一個大/高輸出設計;其次為可支持十到二十個裝置于系統小燈源的中型輸出設計;最后則是可允許在單一系統中存在五十到一百個照明器的小型輸出設計。

大型數組設計打造高燈源輸出應用

以大型數組設計而言,在兩個不同的范圍中,立即能顯現出LED獨特設計的好處,特別是在更獨特的大型照明燈源例子中,可透過大型數組創造出高燈源輸出應用。一般而言,在街燈的應用(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(這會帶來整個規則和標準的新設置),但設計者卻有機會以低電壓交流電的預算達到同樣效果,進而從一個3.5伏特的順向電壓和使用350毫安電流的標準LED著手進行設計,大致上以每個1.2瓦或約八十個LED為基礎。

為達到所期待的輸出電力,使用單一驅動器并使用多組串聯/并聯組合方式的LED方案便很有吸引力,但產業界通常不鼓勵此種設計規則,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和溫度有前饋的關系,當溫度上升時,須嚴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,將會很快產生搭配不當的問題,若電流沒有被個別安排,以便通過整個線路,便很可能成為系統故障的來源。

利用在線設計工具尋找適合LED驅動器

如同前述,市場上有各式各樣的驅動器能符合需求。美國國家半導體(NS)就有幾款LED驅動器能夠達到所需的最大輸入范圍,同時也具備簡易設計的特性和效能表現。先從24VAC系統談起,此為最引人注意的特殊大型燈具,目前談及的驅動器都是直流對直流(DC-DC)轉換器,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,對轉換器的輸入條件須改為:

24VRMS=67.88VPP和在調整后驅動器最大的輸入電壓范圍34伏特。

就確實可知的條件來說,在此階段的設計上,設計者心中可能已有一個特定的LED規格,而本文討論的所有設計,都可以使用如美國國家半導體的 WEBEBCH LED Designer在線設計工具進行開發,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。此外,在350毫安和Vf=3.5伏特條件下,可驅動九個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,僅有美國國家半導體的LM3401和LM3409兩款LED驅動器可作支持,若把LED的數量從九顆減少至八顆,在驅動器的選擇上才會增加。

值得注意的是,當燈串的LED數量增加時,則須要經由電壓的升壓來支持,現今大多低電壓交流電應用的主要轉換器拓撲為降壓轉換器(輸出到LED的驅動電壓比輸入到轉換器的電壓還低),這是對較少LED線路的主要觀點。

了解驅動器角色對癥下藥

一般來說,盡可能使用單一驅動器來驅動多個LED最符合成本效益,然并不主張在單一驅動器中使用并聯線路,而是希望串聯線路盡可能延長;其有利條件在于,即使線路受到嚴格規范和保護,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動大量的LED線路,只是在經過整流后,該線路通常會流失一半的交流電電壓值,故其優勢大打折扣;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),以減輕驅動大量LED線路的負擔。

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),可經由美國國家半導體任一款LM342X驅動器達到,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,對于驅動器裝置特色的了解在電路設計上扮演重要的角色,如是否須支持脈沖寬度調變(PWM)調光、模擬調光等,或是為改變光源輸出是否須加入一些光學要件及過熱保護,以上考慮均為選用何種驅動器的因素。

針對上述需求,LM3421/23驅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)反應的應用來說,是很合適的組件。而LM3424內建的過熱保護功能有利于光學或過熱保護應用(降低與LED溫度有關的輸出電流);再者,LM3429雖為此系列產品最基本款的驅動器,但仍具有在升壓應用中的過壓保護和電流限制,協助升壓檢測。

圖1所示為驅動二十個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光(當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動器。如欲尋求更嚴格的顏色準確度,可采用PWM調光。

 

圖1 大型數組設計應用LM3429的升壓配置,采用24VAC系統,在電流為350毫安的條件下,可驅動二十個LED。

大電容方案降低漣波 延長電解質電容壽命

有一個簡單的概念是應用升壓解決方案來恢復以交流電整流驅動大量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格設計。

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瓦設計目標,為實現此一架構,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照明設計如果在低電壓系統下有300~600瓦的可用電力,25安培的總電流對設計人員而言就具有很多選擇。舉例來說,從D1~D4需要被規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(直流對直流轉換區),ΔE為可允許的漣波電壓,而f則是交流電頻率。由于此設計有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瓦并產生約782毫安的平均輸入電流,如此一來,將可適當調整二級管整流器的規格。

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。

來源:中國LED照明網



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