為滿足家用LED照明應用市場日益嚴苛的產品要求，新一代脫機式LED驅動器具備電氣隔離、高效率、功率因子校正和Triac調光等功能，并提供良好調節的電流，以保持一致亮度，同時各種保護功能，也提高系統可靠性。
在過去幾年中，顯示器背光照明應用一直是驅動發光二極管(LED)市場成長的主要因素。不過現今LED通用照明在商用和住宅市場的吸引力越來越大，也進一步加速了LED市場的成長。根據市場研究機構LEDinside的研究報告指出，2010年商用高流明LED照明系統出現快速成長。這是由于就大多數消費者而言，家用LED照明仍然太過昂貴。反觀，對于停車場、辦公室、工廠、倉庫等商用領域，LED照明卻能帶來節能和環保等長期益處，加上相關的減稅政策，因此這些應用領域的LED照明使用量將出現大幅成長。
家用LED照明市場將加速成長
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節能熒光燈(CFL)和熒光燈。LED商用照明將迅速成長并得到廣泛采用，而2012年則是家用LED照明關鍵的一年。
在商用建筑物中，照明一般占總能源使用量的25～40%，因此商業應用開始改用LED照明，其實并不令人感到意外。由于此類應用需要高強度、長時間照明，所以節省電能導致的經濟回報亦相對短期。另外，LED附屬裝置壽命很長，因此大幅降低LED燈的更換成本。更換成本不僅包括照明燈具本身的成本，還包括動手更換的勞動成本，而通常在某些應用中，例如高階燈照明應用的拆裝，這些需要專業級的勞動成本則都是很高。
整體而言，從大多數消費者的角度著眼的話，通用的家用LED照明仍然太過昂貴，不過，未來隨著LED附屬裝置價格下降和LED更加廣泛供貨，照明市場在住宅領域也將出現大幅成長。大多數分析師都預期，住宅市場于2012年以后將加速成長。
LED驅動器IC設計考慮多方多面
正如前面所提，LED照明市場高成長率背后的主要驅動因素是其能大幅降低功耗。若與白熾燈照明相比，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更長，這大大降低了更換成本；尤其是在住宅照明市場，能利用以前安裝的雙向硅控整流器(Triac)調光器給LED調光也是一個主要的優勢。LED燈可實時接通，毋需像CFL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。
此類新型LED照明應用所涉及的范圍非常之廣，從4瓦(W)的旋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燈須要依靠現有的交流電(AC)脫機式電源(視終端應用所處地理位置的不同，通常為90～265交流電壓(VAC)來工作。為獲得從AC脫機式電源來高效驅動LED的能力，因而產生一些相當獨特的LED驅動器IC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，還須提供電氣隔離。此外，LED驅動器也得提供功率因子校正(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，解決方案須具備成本效益，且總體面積要精小，以使附屬裝置有足夠的空間容納該解決方案，以吸引商用和住宅用戶用LED燈更換現有照明燈。總而言之，必須要有能夠滿足這些要求的LED驅動器IC可用，這對LED照明應用普及化至關重要。
LED功率節省仍有精進空間
LED照明市場迅速成長背后的主要驅動力之一是與白熾燈甚至CFL照明相比，LED燈可節省較多的功率。因此，研究一下用現有LED能節省的功率以及未來幾年內，其功率將如何進一步節省。
目前60W白熾燈可提供約800流明，可轉換為13.3流明/瓦(lm/W)。而現有LED就商用產品而言，效率在50～170lm/W之間。未來的LED則將提供范圍為200～230lm/W的效率。然而，最大的理論效率約為250lm/W。
就照明用途而言，可考慮100lm/W的LED。LED本身所需要的電功率為8W。不過，交流對直流(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，此效率為85%。因此，脫機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65lm/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200lm/W的LED可用時，功率將節省多達92%。為滿足目前能源之星的要求，相對于標準白熾燈，LED燈的功率須至少降低75%，才能取代白熾燈。
脫機式供電設計難度高
能用脫機式電源驅動LED就可使應用越來越快地增加，因為在商用建筑和住宅中，可以非常便利且輕易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的要求卻也大幅提高了。因為LED須要一個良好調節的定電流源，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，并要滿足一些特別的設計需求。
例如，在世界上不同地區，脫機式電源參數可能不同，一般在90～265VAC之間，頻率則為50～65Hz。因此要制造通用全球市場的LED附屬裝置，最好擁有這樣一個無須修改就能使LED用在全球任何地方的電路設計，想達到這樣的目標，就需要單一LED驅動器IC能處理多種輸入電壓和頻率的功能。
除此之外，還有很多脫機式LED應用需要LED與驅動電路之間實現電氣隔離，這主要是出于安全上的考慮，同時亦是幾家監管機構所嚴格要求的。電氣隔離一般由隔離型反馳式LED驅動器架構，該架構運用變壓器隔離驅動電路的主端和副端。
采用LED照明的動力來自于提供特定光輸出量所需的功率可大幅降低，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必須設計為可提供高于80%的效率，以不浪費功率。
而且為了配合在住宅應用中常見的Triac調光器已大量安裝到位的情況下，使LED普及應用成為可能，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配合工作而設計，這兩種燈是理想的電阻性負載。然而，LED驅動器電路一般是非線性的，而且不是電純阻性負載。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，通常須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，并利用一個Triac進行適當的調光。
PFC左右驅動電路性能
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，那么功率校正因子為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貨商所須提供的電功率有關。
換言之，在一個電力系統中，與一個具有高功率因子的負載相比，在所傳輸的有用功率相同的情況下，一個具有低功率因子的負載可吸取更大的電流。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，因此需要更粗的導線和其他傳輸設備。然而，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子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，主動或被動PFC電路都必須設計到LED驅動器電路內。此外，在采用數百個以上50瓦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。
另一方面，高PFC還有一點也很重要，即是最大限度降低LED附屬裝置的諧波失真。國際電工委員會(IEC)已制定了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。
滿足成本及尺寸要求 精簡LED驅動電路勢在必行
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。同樣的，為確保LED有最長的工作壽命，不用高于最大額定值的電流驅動LED相當重要。在隔離型反馳式應用中，LED電流的調節并不是直接進行，常常須要一個光耦合器來閉合所需的回饋回路，或者可能增加一個額外的轉換級。然而，這兩種方法都帶來復雜性和可靠性等問題。幸運的是，有些LED驅動器IC的設計采用新的設計方法，無需這些額外的組件或不增加設計復雜性，就能準確調節LED電流。
然而，要從白熾燈迅速向LED燈轉變，最大的障礙是在于LED解決方案的成本和尺寸。雖然若考慮到在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，但若要消費者花近1,000美元換一個LED燈，依然是很大的障礙。因此，目前仍以倉庫、車庫等支付大量照明電費的商業企業轉向LED照明的速度較快，而此費用的節省亦更加明顯。隨著LED燈購買費用的下降，未來將有更多的消費者愿意轉向LED照明。
另一方面，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需要散熱器和許多復雜的驅動器電路，所以在相同的體積中裝入這兩樣東西將可能是種挑戰。因此，消費者需要的是一個簡單，且接腳面積精簡的解決方案中，可提供所有功能的LED驅動器IC。
維持電流穩定 隔離型反馳式LED控制器顯身手
為解決這些脫機式LED的所有驅動難題，凌力爾特(Linear Technology)推出一款隔離型反馳式LED控制器LT3799，具主動PFC，專門為在90～265VAC的通用輸入范圍內驅動LED而設計。LT3799以關鍵傳導模式工作，最大限度縮減外部變壓器的尺寸，非常適用于驅動功率從4瓦至數百瓦的多種LED應用。驅動高達20瓦的LED的整個電路如圖1所示。這個特定電路可用Triac調光，且在90～265VAC的通用輸入范圍內，能提供高達1安培(A)的LED電流，同時提供超過86%的效率(圖2)。稍微改變一下外部組件，這個電路就可進一步優化，以在120、240、377VAC或幾乎任何常見的AC輸入情況下使用。
圖1 隔離型反馳式LED控制器電路范例
圖2 LT3799在通用輸入電壓范圍內的效率
LT3799運用單級設計，使整個LED驅動電路(包括EMI濾波器)僅需要四十個外部組件，從而使該解決方案簡單、接腳面積精簡且具成本效益。圖1中的20W電路的總尺寸僅為30毫米(mm)×75毫米，高度僅為30毫米，從而成為種類繁多的LED應用的理想選擇。此外，其獨特的內部電路提供高達0.98的主動PFC，容易滿足美國能源部(Department of Energy, DOE)的要求，同時還符合IEC 61000-3-2C類照明設備諧波要求(圖3)。
圖3 具主動PFC的LT3799VIN和IIN波形
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中可看到當輸入從90VAC變到150VAC時，LED電流保持了±5%的穩定度。該組件用一個獨特的電流檢測電路取代光耦合器，以向二次側提供良好調節的電流。不僅降低成本，也改進了可靠性。不僅如此，該組件還能與標準壁式Triac調光器一起使用，而不會產生任何可見閃爍。整合式的LED開路和短路保護確保多種LED應用具有長期可靠性。最后，其散熱強化型MSOP-16封裝有助于形成非常精小的LED驅動器解決方案。
圖4 隨VIN(AC)變化LT3799對LED電流的調節
由脫機式電源供電所帶起的通用LED照明應用市場，已開始出現空前的成長，其背后的驅動力，是市場對更高性能和具成本效益的照明應用需求。然而，這些新興的性能要求必須使用新的LED驅動器IC才能滿足。而這些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。而這些LED驅動器電路也必須能構成非常精小和具成本效益的解決方案，幸運的是，目前已有廠商可供應這類脫機式LED驅動器了。