关于LED交直流驱动电路设计分析和应用

LED需要在直流（DC）下工作；然而，交流电流（AC）是长距离传输电力的最有效方式。基于这一原因，设计人员需要认真应对这一挑战，根据现成的AC将其合理的转换成可用于LED照明应用的DC。本文将揭示AC到DC线驱动的问题，以及电子元件供应商目前的解决方案，为LED在一个充满交流的世界中提供其需要的直流电。

背景

驱动LED系统的最简单方式是使用一个现成的直流电源，比如电池可以提供所需的驱动电流。以电池作为直流电源有其优势，依据所需的特定电压，LED可以在相对安全的电压下工作，这时电路相对简单并且容易设计。目前许多离散的照明级LED部署时采用约3伏的直流电压，它们可以串联、并联或者串并组合排列以达到标称电压，从而获取所需光线，并紧密地匹配相应的直流电源。尽管DC是驱动LED的一个很好的方式，但直流配电系统很少适用于一般照明灯具。

与此相反，交流电普遍存在于家庭、工业、办公室和建筑物中——通常将其放置在靠近LED照明系统所在的地方。交流系统需要比DC更复杂的电路设计，因为必需在某个阶段将交流转换直流。AC到DC线驱动器的转换是LED照明行业目前面临的一个共同挑战，因为它需要应用于几乎所有应用的LED实现中，随着它取代其它的技术，如白炽灯、荧光灯和卤素灯，这一问题越来越受到重视。

目前的解决方案

许多电子和LED公司为应对这一挑战，目前正努力提供LED相关的产品，这些产品支持LED照明应用所需的交流到直流的直接转换。首批进入这一市场的厂家和相应产品的是首尔半导体的Acrich产品线。目前正销售的是Acrich2，这是一个带功率状态IC的完全集成模块。它可用于交流驱动应用，并且也不需要传统的开关模式转换器，因为它可以通过两根引线直接连接到交流电源。它采用了螺纹式线性拓扑结构。这些LED模块也具备高功率因子，可以在许多照明应用中取得最佳的节能效果。首尔半导体已发布了Acrich3，将提供更多改进，包括降低闪烁。

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设计工程师应该知道在应用中可以容忍多少LED纹波电流。AC到DC转换直接线方案中，用户注意到的一个常见问题是闪烁。闪烁是由AC线信号的频率产生的，依据于具体的国家，通常这一频率为50-60赫兹。在螺纹式线性方案中100％的电流纹波案例会导致频闪（闪烁）效应，用户在使用时出现生理排斥问题，并且对存在旋转机械的工作环境产生危害。美国能源署发布的固态照明技术简介：闪烁中写道：“LED闪烁的问题主要由LED驱动器造成。”

在过去几年，更高电压的LED已经开始出现，并且扩大了LED照明的范围。这种更高电压LED的推出刚好迎合了人们对更高效LED照明系统功效的期望。这些更高电压的LED通常工作在10-50V的直流电压范围内。

其中的一个示例是Cree公司的新一代高电压LED产品XLampMH-B。它们是新一代高功率LED，能够比中等功率（0.5W@，典型值）的LED以更有效的方式提供低成本系统。它们采用5 x 5毫米的封装，其典型正向电压（VF）为37VDC@0.12A，以及0.175A（Imax）的最大驱动电流（最大功率7W）。由于交流线驱动系统的固有更高电压，大量新型电子产品可以将AC变换为DC并且输出较高的直流电压，以适应正在开发的这些新型LED。例如，大约四（4）个这样的产品串联在一起接近美国交流线（4×37VDC=148VDC）的电压峰值。

一种创新方式

德州仪器一直在努力从事AC到DC转换的线驱动研发。德州仪器拥有屡获殊荣的完整产品组合，包括LED驱动器和解决方案，帮助照明开发商灵活地优化他们的设计，以应对这个活力无限市场的苛刻挑战。最近德州仪器推出了一对新产品，提供了更优、更简单的方式为LED照明系统实现AC到DC的转换。今天德州仪器交流方案相比所有已知竞争对手的明显优势是，可以实现低LED电流纹波，从而消除闪烁问题。

德州仪器TPS92411 100V悬浮MOSFET开关（下图）是通过AC电源来驱动LED的高性能方案，可提供高功率因子（PF），低总谐波失真（THD）和低电流纹波。该产品旨在解决和减少闪烁引起的生理和安全问题。它的解决思路如下：仅使用交流电，然后在内部设计中增加存储电容器从而缓冲所产生的能量，以二进制开关结构下的受控方式进行交流到直流的变换，在调制深度上有所减少。该方法的期望优点是降低闪烁指数——从而化解潜在的生理和安全问题。在螺纹式线性设计中电流基于“连通”电流步进。这通常提供了良好的PF校正（> 0.9），但THD很糟糕（THD <30％）。德州仪器开关式线性设计吸收真正连续的正弦电流，从而产生良好的PF校正（> 0.9）和低THD（<15％）。该TPS92411还采用了独特的2n开关步进设计优势，使设计人员能够控制分辨率。这意味在一个设计中使用4个零部件可以达到16个步进（即：2^4 = 16级）。对于用户来说其优点是较高的LED利用率和更好的AC线路追踪 。它采用了一种悬浮结构，其中每个TPS92411独立操作，因此没必要进行IC间通信，同时低摆率控制开关还可以降低电磁干扰（EMI）。

德州仪器TPS92410开关控制直接驱动线性控制器（下图）补充辅助TPS92411。它是高度集成的450V线性电流控制器，与TPS92411悬浮开关协同工作，可以提供额外的控制和保护功能。能量转换或EMI滤波时无需磁性元件。该TPS92410/11的配对可达到>0.95 PF，良好的线性整流，以及大于80％的效率。设计师寻求更高的可靠性可以采用热折返功能，当温度过高时它会自动降低LED电流。促进智能、物联网连接的照明是它的一大优势，因为通过传统或RF微控制器（MCU）可以使用暗淡模拟输入来更容易控制光强度。

为获得更进一步的控制、特性和优点，设计师可以在基于MCU的灯具中考虑增加更多的智能控制，比如使用超低功耗16位混合信号微控制器MSP430F5172 或SimpleLinkZigBeeCC2530片上系统（SoC）解决方案，以应对802.15.4，ZigBee和RF4CE应用。使用这些产品设计工程师可拥有许多有用的通信、控制和调光功能。

总而言之，需要注意到，LED在一个交流为主体的世界中需要转换到直流下工作。LED和电子驱动器的供应商通过开发各种方案来解决这一问题，包括（1）通过螺纹式线性AC驱动器直接转换交流电到直流电，（2）为LED封装提供一系列电压平台，（3）专门针对闪烁问题开发高性能分立电子元件方案。LED和AC线驱动电路的进步在更好地融合，进一步简化了LED照明设计。