低電壓交流電照明系統在市場上愈來愈受歡迎，從室內重點照明(Accent Lighting)到一般的軌道燈，乃至于應用在戶外照明系統。零售商和家居建材行如IKEA和Home Depot已經將這些技術迅速而廣泛的傳達給顧客，使電源系統納入特定低電壓的使用規則，用戶便不必經過承包商而能自行安裝。

　　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。可確定的是，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。 

　　小型數組設計挑戰重重　降低電容溫度勢在必行　
 
　　另一個極端的設計范圍是小型數組設計，該設計可能是單一LED組件或是一個單獨的組件中包含三個組件，可讓1瓦變成3瓦的現代化LED照明效率解決方案，在環境和公園照明設備中頗受歡迎。 
 
　　小型數組設計對105℃額定值的電容而言，讓它們保持冷卻在65℃及更低的溫度，為此設計中較薄弱的環節；不過，由于電解質電容每低于額定溫度10℃，就能增加一倍的使用壽命，意味著若一個設計師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長十六倍的額定壽命，在此比率下，5,000小時的額定電容可延長到80,000小時，對小型數組設計來說，雖為極大的挑戰但仍勢在必行。  

　　由此可證，良好的熱能設計在LED應用扮演關鍵角色，且使用有效率的驅動器如LM3429，則使設計挑戰更容易解決。在此設計上，最熱門的裝置是單結型場效應晶體管(FET)M1開關，其可達到約65℃的溫度表現，雖然并沒有多大影響，但是設計者必須確定它與其他重要熱源均與電解質電容保持距離，且所有板上的組件都保持在50℃以下，可見從LED散出的熱能永遠是最大的挑戰，而不是電子學。 

  　　小型數組設計獲櫥柜/展示用照明青睞 

　　櫥柜和展示用照明是低電壓交流電系統中，關于小型數組設計的另一個受歡迎應用，可考慮一個3伏特正向電壓、350毫安、1瓦的LED，搭載一個簡單的12VAC系統，即可因降壓轉換器的架構提供充分余量，并可有效率的驅動LED。如圖2所示，LM3407提供一個350毫安的輸出限制、小型封裝，和極少的外部組件，以驅動此類型的LED。由于低功率消耗的設計(在輸入端稍為超出1.5W)概念，可在一個單獨的低電壓12VAC電路支持多達兩百個模塊，若使用24VAC系統操作，則可超過兩百五十個(大部分低電壓系統的電流限制最大為25安培)。   

 　　圖2 符合小型數組設計的LM3407采用12VAC系統，可驅動電流為350毫安的3Vf單一LED。
反觀交流對直流(AC-DC)的轉換則是以大型數組設計處理，基于直流對直流轉換區的輸入電流，可為輸入整流二極管和保持電容選擇適當值。在此設計中，小于100毫安的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容，因此，330μF將能輕易實現這樣的需求。  

　　有一項額外考慮系針對較小負載設計而生，主要系一次側變壓器的工作可能需要某一個最低負荷，當處在非常小且低功耗的系統中，便須要特別考慮此問題。以一個60瓦低電壓交流變壓器而言，可能需10瓦的負載才能正常運行，而LED裝置的效率可根據主電源的供應范圍處理該問題。  

　　舉例來說，在美國國家半導體的RD-148參考設計中，運用LM3405A展示在12VAC系統下驅動一個3.6Vf、600毫安的單一LED解決方案。而基于該參考設計架構的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模塊中，因其有較小的封裝尺寸(LM3405A采SOT23封裝)和極少的外部組件。透過RD-148的實例，將能簡易實行一個尺寸為14毫米×21.5毫米的完整解決方案，甚至是更小的解決方案也可能實現。  

　　實現中型數組系統　熱能管理至為關鍵 

　　目前中型設計(中型數組，但許多個別系統)已提出最新的進展，藉由使用單一封裝的較大多組件數組就能提高照明輸出，且有更好的效率和熱能管理技術。欲完成此種設計，可考慮一個10.5伏特的Vf暖白光數組，和一個典型的640毫安電流。值得注意的是，維持數組在典型的電流或適當的熱能管理設計，特別能延長產品壽命，甚至是在高溫有害的環境中，雖然這對許多IC驅動器是很困難的挑戰，但在市場需求的推動之下，可預期不久之后就有大量符合此需求的產品出現。然而，在經過幾個設計循環后，產業界便發現許多整合FET的驅動器，對于熱能設計有處理上的困難。  

　　承續上述論點，許多整合FET的產品在30℃環境溫度下操作，其IC接面點溫度超過90℃，這代表組件在外部環境建議的操作溫度下，只有35℃的余量(到達150～160℃時就會進入熱能關機，但最大的建議操作溫度是125℃)，這對熱能機械設計來說是很難處理的，故須確保該情況不會在LED的應用上發生。  

　　熱能挑戰迎刃而解　高整合控制器功不可沒 

　　總括來說，60℃溫差的熱能循環(從LED帽到焊接點，一直到驅動板)在設計上并不完美。談到LED的使用壽命和可靠性，熱能永遠是必須解決的問題，而圖3所示的LM3409控制器就是一個優異的選擇，它能讓設計者透過各種外部組件將熱能排出，以一個低成本的P-Channel金屬氧化物半導體場效晶體管(PFET)外部組件為例，藉由使用LM3409就能顯著降低系統溫度，而其中最熱的組件應該是53℃的PFET。   

 　　圖3 適合中型數組設計的LM3409采用12VAC系統，可驅動640毫安電流和10.4伏特的LED數組封裝。

　　由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測試都在30℃環境溫度下進行，這表示其擁有充分的熱能余量，也使設計者更容易達到熱能設計的目標。此外，LM3409系一個高度整合的控制器，特別是用于固定電流的LED驅動應用中，所以只需要少數的外部組件，便可以解決尺寸問題和降低生產成本。  

　　LM3409亦具有容易進行調光控制的優勢，不論是PWM調光(在EN接腳上)或是模擬調光，均可藉由一個電壓分壓器隔開主要輸入軌來獲得模擬調光功能，如此一來，就能在輸入電壓直接降低時，連帶使LED電流下降，以達到設計彈性。其次，如果要求絕對色彩準確性或其他特殊的調光功能，則可使用PWM訊號(外部的微控制器或類似裝置所提供)或是模擬IADJ接腳，完成此一需求。  

　　另一方面，LM3409具有兩個有效的監視電流回路，一個是設置在高端電流感測電阻RSNS，另一個直接在ISENS。設計者有三個方法經由ISENS來達到模擬調光，首先是透過ISENS開路以讓RSNS控制LM3409；再者系提供接腳一個從0～1.24伏特的外部電壓(由RSNS設置時1.2伏特是最大輸出)；或可從接腳到地面連結一個分壓器以改變電流(永遠將RSNS設置到最大)。  

　　透過以上三種方式，在交流電轉換成直流電后，經由電壓分壓器到主輸入軌就能輕易連結；不過若選擇電壓分配器在1.24伏特時，則可擁有最大的輸入電壓(12VAC系統16.97V，24VAC系統33.94V)，因此，當輸入電壓較低時，理所當然會產生一個較低的光源輸出。  

　　而值得討論的是，該情況與不具典型調光裝置驅動器的差別，或沒有這個連結的話，LM3409將如何表現。  

　　由于上述情況均是針對直流對直流的調節器，所以會有輸入到輸出改變的自然情形，有鑒于此，想要對一個固定的電壓或電流加以控制的想法便應運而生。舉例來說，若不提供一個調光訊號，電路就會嘗試維持電流的規格，直到輸入電壓接近輸出電壓(LED驅動電壓)，且輸出電平將不會改變，直到輸入端進入電路訊號損耗區(通常是在降壓調節器運作下驅動電流時，輸入的伏特數高于所要求的輸出)，當輸入電壓開始下降時，輸出電壓也隨著快速減少。 
 
　　反觀在PFET控制器的調節下，LM3409只有小范圍的改變，能夠在整個工作周期下，維持非常低的損失，其使用模擬調光功能可以線性方式降低LED電流，使LED具備可調光的設計，在開關關閉前達到欠壓鎖定設定(或者可以用極小的輸出電壓驅動LED)。藉由改變電壓的方式來達到調光功能，已能有效的控制輸入線路，而在交流對直流的前端，則需要額外的電容以達到光源輸出后，所造成的輸入漣波最小化。  

　　此外，透過直接鏈接調光功能到輸入電壓，可不須顧慮LED驅動器的穩定度。除非充分過濾，否則輸入線路的任何暫時狀態都會顯示在輸出上。因此，該連結方式較不受到支持，除非須要使用調光功能，讓IADJ維持開路。  

　　另一方面，低電壓TRIAC調光裝置也可能會帶來設計上的挑戰。使用調壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調光系統，若使用類似的電路就可以良好的運作，不過，TRIAC調光系統需要額外的電路用以適當的譯碼截波波形。  

　　低電壓交流電系統結合LED　照明解決方案大小通吃 

　　總結而言，低電壓交流電系統結合LED照明效能，可提供設計者創造各式各樣從小型到大型照明解決方案的能力。美國國家半導體擁有適用于24VAC和12VAC系統廣泛的產品組合，以協助實現其設計，在五花八門的產品陣容下，決定使用那種解決方案則取決于組件的特色，以及所需的解決方案尺寸。  

　　尤其須要注意的是，整體系統的設計須透過現今驅動器的一些特性與進展，才能作出正確的決定，并使設計變得更簡易、更健全和有效降低成本。擁有完備的解決方案知識，將能夠進一步實現兼具快速及成本效益的解決方案，亦讓設計人員擁有許多可用的選擇。  

　　不僅如此，低電壓交流電LED在簡化設計方面也提供穩定的電路分析，有關這些優點都能節省設計時間和金錢，同時也能提升產品的可靠性。