背景

　　高亮度 LED 能降低功耗、具有很長的壽命以及更多益處，不斷促進多種照明應用的發展，因此 LED市場持續加速增長就毫不意外了。根據 Strategies Unlimited 公司的研究，到 2010 年末，高亮度 LED 的市場規模達到了 82 億美元，到 2015 年將增長到 202 億美元，年復合增長率為 30.6%。在過去幾年中，用來給顯示器提供背光照明的 LED 一直是驅動 LED 市場增長的主要因素。不過，通用照明 LED 應用在商用和住宅市場吸引力越來越大，這也進一步加速了 LED 市場的增長。全球市場情報供應商 LEDinside 在研究報告中寫道：“2010 年，商用高流明 LED 照明系統出現了巨大增長。這是因為，就大多數消費者而言，家用 LED 照明仍然太過昂貴。LED 照明能帶來長期益處，具有節能和環保屬性，加上相關的減稅政策，因此在停車場、辦公室、工廠、倉庫等商用領域，LED 照明的使用量將出現巨大增長。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 CFL 和熒光燈。”LEDinside 進一步估計道：“2010 年和 2011 年，LED 商用照明將迅速增長并得到廣泛采用，同時直到 2011 年或 2012 年，家用照明 LED 都不會流行，2012 年是關鍵的一年。預計 2010 年 LED 光源的市場滲透率能達到 3.7%，而 2009 年至 2013 年的年復合增長率估計為 32%。”

　　在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的 25% 至 40%，因此商用應用引領向 LED 的轉變應該是毫不意外的結果。因為這類應用需要高強度、長時間照明，所以節省電能導致的經濟回報是相對短期的。另外，LED 附屬裝置壽命很長，因此極大地降低了 LED 燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈本身的成本，還包括動手更換照明燈的勞動成本，而在某些應用中，如高頂燈照明應用，勞動成本這一項是很高的。另一方面，就大多數消費者而言，通用的家用 LED 照明目前仍然太過昂貴。不過，未來幾年，隨著 LED 附屬裝置價格下降和 LED 更加廣泛地供貨，照明市場在住宅領域也將出現大幅增長。大多數分析師都預計，住宅細分市場 2011 年將適度增長，而 2012 年及以后將加速增長。

　　正如前面提到的那樣，LED 照明市場高增長率背后的主要驅動因素是，與傳統照明方式相比，LED 照明能極大地降低功耗。與白熾燈照明相比，要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 照明還有更多優勢，但也有更多挑戰。LED 的優勢包括壽命比白熾燈高幾個位量級，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的 TRIAC 調光器給 LED 調光也是一個主要的優勢，尤其是在住宅照明市場。LED 燈即時接通，無需像 CFL 那樣的預熱時間，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 可實現新型和非常扁平的外形尺寸，而其他技術則不可能做到。

表 1：LED、CFL 和白熾燈光源比較

　　此類新型 LED 照明應用所涉及的范圍非常之廣，從 4W 的擰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。大多數這些 LED 燈將需要依靠現有的 AC 離線式電源 (視終端應用所處地理位置的不同，通常為 90VAC 至 265VAC) 來工作。為了獲得從 AC 離線式電源來高效驅動 LED 的能力，產生了一些相當獨特的 LED IC 驅動器設計難題。

　　LED 驅動器不僅必須提供最高效率以確保節省功率，而且出于安全考慮，還必須提供電氣隔離。此外，LED 驅動器必須提供功率因數校正 (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有 TRIAC 調光器調光的能力。最后，解決方案的總體占板面積必須非常小，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，解決方案還必須具成本效益，以吸引商用和住宅用戶用 LED 燈更換現有照明燈。有能夠滿足所有這些要求的 LED 驅動器 IC 可用，對 LED 照明的不斷采用是至為重要的。

　　LED 照明計算

　　LED 照明市場迅速增長背后的主要驅動力之一是，與白熾燈甚至 CFL 照明相比，LED 燈能極大地節省功率。因此，研究一下用現有 LED 能節省的功率以及未來幾年內功率將怎樣進一步節省是有意義的。

　　60W 白熾燈：

　　提供約 800 流明，可轉換為 13.3 lms/W (流明/瓦)。

　　現有 LED：

　　就商用產品而言，目前的效率在 50 lms/W 至 170 lms/W 之間。

　　未來的 LED：

　　將提供范圍為 200 lms/W 至 230 lms/W 的效率。然而，最大的理論效率約為 250 lms/W。

　　就照明用途而言，我們來考慮一下 100 lms/W 的 LED。LED 本身所需要的電功率為 800 流明/100 lms/W = 8W。不過，AC/DC LED 驅動電子線路的效率也必須考慮在內，就高性能 LED 驅動器而言，這個效率為 85%。因此，離線式電源所需的總功率為 8W/0.85 = 9.4W，從而與白熾燈相比，功率節省了 84%。如果用 65 lms/W 這個更加保守的數字，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 200 lms/W 的 LED 可用時，功率將節省多達 92%。為了滿足目前能源之星的要求，相對于標準白熾燈，LED 燈的功率必須降低至少 75%，才能取代白熾燈。

　　用離線式電源為 LED 供電

　　能用離線式電源驅動 LED 就可使應用越來越快地增加，因為在商用建筑和住宅中，可非常便利地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 的要求卻極大地提高了。因為 LED 需要一個良好調節的恒定電流源，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，要滿足一些非常特別的設計需求。

　　在世界上不同地區，離線式電源參數可能不同，一般在 90VAC 至 265VAC之間，頻率則為 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市場的 LED 附屬裝置，最好擁有這樣一個電路設計：無需修改就能使 LED 用在全球任何地方。這就需要單一 LED 驅動器 IC 能處理多種輸入電壓和頻率。

　　此外，很多離線式 LED 應用需要 LED與驅動電路之間實現電氣隔離。這主要出于安全考慮，是幾家監管機構要求的。電氣隔離一般由隔離型反激式 LED 驅動器拓撲提供，該拓撲運用變壓器隔離驅動電路的主端和副端。

　　由于采用 LED 照明的驅動力是，提供特定光輸出量所需的功率可極大地降低，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節的 LED 電流，所以 LED 驅動器 IC 必須設計為，提供高于 80% 的效率，以不浪費功率。

　　而且，為了在住宅應用中常見的 TRIAC 調光器已經大量安裝到位的情況下使 LED 花樣翻新燈成為可能，LED 驅動器 IC 必須與這些調光器一起高效運作。TRIAC 調光器專為與白熾燈和鹵素燈很好地配合工作而設計，這兩種燈是理想的阻性負載。然而，LED 驅動器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負載。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”一個純阻性負載，以確保 LED 在不產生任何明顯閃爍的情況下正確起動，并利用一個 TRIAC 進行適當的調光。

　　就 LED 照明而言，PFC 是一個重要的性能規格。簡言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成正比且同相，那么功率校正因數為 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應商所需提供的電功率有關。也就是說，在一個電力系統中，與一個具有高功率因數的負載相比，在所傳輸的有用功率相同的情況下，一個具有低功率因數的負載吸取更大的電流。因為所需電流較高，所以在配電系統中損失的能量也提高了，這反過來又需要更粗的導線和其他傳輸設備。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數較低的工業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之中，不過大多數人相信，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，有源或無源 PFC 電路都必須設計到 LED 驅動器電路內。還應該提到的一點是，在采用數百個以上 50W 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。

　　除了高 PFC，還有一點也很重要，那就是最大限度地降低 LED 附屬裝置的諧波失真。國際電工委員會 (IEC) 已經制定了 C 類照明設備諧波性能規范 IEC 61000-3-2，以確保新的 LED 照明附屬裝置滿足低失真要求。

　　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準確調節 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。類似地，為了確保 LED 有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅動 LED 是很重要的。在隔離型反激式應用中，LED 電流的調節不總是直接進行的，常常需要一個光耦合器來閉合所需的反饋環路，或者可能增加一個額外的轉換級。然而，這兩種方法都帶來了復雜性和可靠性問題。幸運的是，有些 LED 驅動器 IC 的設計采用了新的設計方法，無需這些額外的組件或不增加設計復雜性，就能準確地調節 LED 電流。

　　最后，要從白熾燈迅速向 LED 燈轉變，最大的障礙是基于 LED 的解決方案的成本和尺寸。消費者習慣于花不到 1.00 美元換一個 60W 白熾燈，花大約 3.00 美元換一個 CFL 燈。花 30 多美元換一個 LED 燈，對消費者來說是一個很大的障礙。考慮到在 LED 的壽命期內電力成本和更換成本的降低，以這樣的價格換一個 LED 燈確實有經濟意義，但是消費者不習慣于這樣聯系起來看問題。總之，倉庫、車庫等支付大量照明電費的商業企業轉向 LED 照明的速度快得多，因為費用節省更加明顯。隨著 LED 燈購買費用的下降，將有更多的消費者愿意轉向 LED 照明。

　　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 需要散熱器和復雜得多的驅動器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣東西可能是一個挑戰。因此，人們需要的將是這樣的 LED 驅動器 IC：能在一個簡單和占板面積緊湊的解決方案中提供所有這些需要的功能。

　　一種全新的解決方案

　　幸運的是，一種新的解決方案，凌力爾特的 LT3799，可以解決這些離線式 LED 的所有驅動難題。該器件是一款隔離型反激式 LED 控制器，具有源 PFC，專門為在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內驅動 LED 而設計。LT3799 以關鍵傳導模式工作，最大限度地減小了外部變壓器的尺寸。它非常適用于驅動功率從 4W 至數百瓦的多種 LED 應用。驅動高達 20W 的 LED 的整個電路如圖 1 所示。這個特定電路可用 TRIAC 調光，且在 90VAC 至 265VAC 的通用輸入范圍內，能提供高達 1A 的 LED 電流，同時提供超過 86% 的效率 (參見圖 2)。稍微改變一下外部組件，這個電路就可以進一步優化，以在 120VAC、240VAC 甚至 377VAC 或幾乎任何常見的 AC 輸入情況下使用。

圖 1：采用了 LT3799 并具 PFC 和 TRIAC 調光的通用輸入、隔離型反激式 LED 控制器電路

　　LT3799 運用單級設計，整個 LED 驅動電路 (包括 EMI 濾波器) 僅需要 40 個外部組件，從而使該解決方案簡單、占板面積緊湊且具成本效益。圖 1 中的 20W 電路的總尺寸僅為 30mm x 75mm，高度僅為 30mm，從而成為種類繁多的 LED 應用的理想選擇。

圖 2：LT3799 在通用輸入電壓范圍內的效率

　　LT3799 采用獨特的內部電路提供高達 0.98 的有源 PFC，從而非常容易滿足美國能源部 (Department of Energy - DOE) 的要求，同時還符合 IEC 61000-3-2 C 類照明設備諧波要求 (參見圖 3)。

圖 3：具有源 PFC 的 LT3799 VIN 和 IIN 波形

　　此外，在整個輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內，LT3799 還提供 LED 電流調節。在圖 4 中可以看到，當輸入從 90VAC 變到 150VAC 時，正如大多數美國照明應用所要求的那樣，LED 電流保持了 ±5% 的穩定度。LT3799 用一個獨特的電流檢測電路取代了光耦合器，以向副端提供良好調節的電流。這不僅降低了成本，還改進了可靠性。

圖 4：隨 VIN (AC) 變化 LT3799 對 LED 電流的調節

　　LT3799 還能與標準壁式 TRIAC 調光器一起使用，而不會產生任何可見閃爍。集成的 LED開路和短路保護確保多種 LED 應用具有長期可靠性。最后，其耐熱增強型 MSOP-16 封裝有助于形成非常緊湊的 LED 驅動器解決方案。

　　結論

　　由離線式電源供電的通用 LED 照明應用市場出現了前所未有的加速增長，其背后的驅動力是對更高性能和具成本效益的照明應用之持續需求。然而，這些新出現的性能要求必須使用新的 LED 驅動器 IC 才能滿足。這些 LED 驅動器必須提供電氣隔離、高效率、PFC 和 TRIAC 調光能力。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節的 LED 電流，以保持一致的亮度，同時提供各種保護功能，以提高系統可靠性。這些 LED 驅動器電路還必須能構成非常緊湊和具成本效益的解決方案。幸運的是，現在已經有這類離線式 LED 驅動器了。