大電容方案降低漣波延長(zhǎng)電解質(zhì)電容壽命
有一個(gè)簡(jiǎn)單的概念是應(yīng)用升壓解決方案來(lái)恢復(fù)以交流電整流驅(qū)動(dòng)大量LED燈串時(shí)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(jiàn)，系統(tǒng)是如何在單一附件下拓展成每個(gè)線路都受到完整保護(hù)的高規(guī)格設(shè)計(jì)。
若進(jìn)一步採(cǎi)用四條這樣的電路，則每條線路均能達(dá)成完整保護(hù)和控制的100瓦設(shè)計(jì)目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)此一架構(gòu)，則可能在前端使用一個(gè)一般的整流器（只需要×4電流率的橋接二級(jí)管和C1/C2的×4電容）。此外，LED照明設(shè)計(jì)如果在低電壓系統(tǒng)下有300～600瓦的可用電力，25安培的總電流對(duì)設(shè)計(jì)人員而言就具有很多選擇。舉例來(lái)說(shuō)，從D1～D4需要被規(guī)範(fàn)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(duì)直流轉(zhuǎn)換區(qū)），ΔE為可允許的漣波電壓，而f則是交流電頻率。由于此設(shè)計(jì)有92%的效率，鑑于LED功率為24.5瓦，這代表前端的直流對(duì)直流區(qū)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(chǎn)生約782毫安培的平均輸入電流，如此一來(lái)，將可適當(dāng)調(diào)整二級(jí)管整流器的規(guī)格。
另一方面，可接受的漣波也影響著電容的需求，舉例來(lái)說(shuō)，執(zhí)行一個(gè)800毫安培的輸入電流，且在120Hz線路上允許一個(gè)1伏特的漣波（因橋接整流器的關(guān)係為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(duì)電解質(zhì)電容的壽命提供較佳的保護(hù)，故此情況下，大電容將是可能採(cǎi)取的選擇方案。
小型陣列設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)重重降低電容溫度勢(shì)在必行
另一個(gè)極端的設(shè)計(jì)範(fàn)圍是小型陣列設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可能是單一LED元件或是一個(gè)單獨(dú)的組件中包含叁個(gè)元件，可讓1瓦變成3瓦的現(xiàn)代化LED照明效率解決方案，在環(huán)境和公園照明設(shè)備中頗受歡迎。
小型陣列設(shè)計(jì)對(duì)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(shè)計(jì)中較薄弱的環(huán)節(jié)；不過(guò)，由于電解質(zhì)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(gè)設(shè)計(jì)師可維持65℃或更佳的溫度狀況，105℃額定電容將能延長(zhǎng)十六倍的額定壽命，在此比率下，5，000小時(shí)的額定電容可延長(zhǎng)到80，000小時(shí)，對(duì)小型陣列設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，雖為極大的挑戰(zhàn)但仍勢(shì)在必行。
由此可證，良好的熱能設(shè)計(jì)在LED應(yīng)用扮演關(guān)鍵角色，且使用有效率的驅(qū)動(dòng)器如LM3429，則使設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)更容易解決。在此設(shè)計(jì)上，最熱門的裝置是單結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)電晶體（FET）M1開(kāi)關(guān)，其可達(dá)到約65℃的溫度表現(xiàn)，雖然并沒(méi)有多大影響，但是設(shè)計(jì)者必須確定它與其他重要熱源均與電解質(zhì)電容保持距離，且所有板上的元件都保持在50℃以下，可見(jiàn)從LED散出的熱能永遠(yuǎn)是最大的挑戰(zhàn)，而不是電子學(xué)。
小型陣列設(shè)計(jì)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(tǒng)中，關(guān)于小型陣列設(shè)計(jì)的另一個(gè)受歡迎應(yīng)用，可考慮一個(gè)3伏特正向電壓、350毫安培、1瓦的LED，搭載一個(gè)簡(jiǎn)單的12VAC系統(tǒng)，即可因降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)提供充分余量，并可有效率的驅(qū)動(dòng)LED.如圖2所示，LM3407提供一個(gè)350毫安培的輸出限制、小型封裝，和極少的外部元件，以驅(qū)動(dòng)此類型的LED.由于低功率消耗的設(shè)計(jì)（在輸入端稍為超出1.5W）概念，可在一個(gè)單獨(dú)的低電壓12VAC電路支援多達(dá)兩百個(gè)模組，若使用24VAC系統(tǒng)操作，則可超過(guò)兩百五十個(gè)（大部分低電壓系統(tǒng)的電流限制最大為25安培）。
圖2符合小型陣列設(shè)計(jì)的LM3407採(cǎi)用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動(dòng)電流為350毫安培的3Vf單一LED
反觀交流對(duì)直流（AC-DC）的轉(zhuǎn)換則是以大型陣列設(shè)計(jì)處理，基于直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換區(qū)的輸入電流，可為輸入整流二極管和保持電容選擇適當(dāng)值。在此設(shè)計(jì)中，小于100毫安培的輸入電流和允許2伏特漣波約需290μF電容，因此，330μF將能輕易實(shí)現(xiàn)這樣的需求。
有一項(xiàng)額外考慮係針對(duì)較小負(fù)載設(shè)計(jì)而生，主要係一次側(cè)變壓器的工作可能需要某一個(gè)最低負(fù)荷，當(dāng)處在非常小且低功耗的系統(tǒng)中，便須要特別考量此問(wèn)題。以一個(gè)60瓦低電壓交流變壓器而言，可能需10瓦的負(fù)載才能正常運(yùn)行，而LED裝置的效率可根據(jù)主電源的供應(yīng)範(fàn)圍處理該問(wèn)題。
舉例來(lái)說(shuō)，在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的RD-148參考設(shè)計(jì)中，運(yùn)用LM3405A展示在12VAC系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)一個(gè)3.6Vf、600毫安培的單一LED解決方案。而基于該參考設(shè)計(jì)架構(gòu)的LM3405A和LM3407均適用于在較小燈光模組中，因其有較小的封裝尺寸（LM3405A採(cǎi)SOT23封裝）和極少的外部元件。透過(guò)RD-148的實(shí)例，將能簡(jiǎn)易實(shí)行一個(gè)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(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)中型陣列系統(tǒng)熱能管理至為關(guān)鍵
目前中型設(shè)計(jì)（中型陣列，但許多個(gè)別系統(tǒng)）已提出最新的進(jìn)展，藉由使用單一封裝的較大多組件陣列就能提高照明輸出，且有更好的效率和熱能管理技術(shù)。欲完成此種設(shè)計(jì)，可考慮一個(gè)10.5伏特的Vf暖白光陣列，和一個(gè)典型的640毫安培電流。值得注意的是，維持陣列在典型的電流或適當(dāng)?shù)臒崮芄芾碓O(shè)計(jì)，特別能延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，甚至是在高溫有害的環(huán)境中，雖然這對(duì)許多IC驅(qū)動(dòng)器是很困難的挑戰(zhàn)，但在市場(chǎng)需求的推動(dòng)之下，可預(yù)期不久之后就有大量符合此需求的產(chǎn)品出現(xiàn)。然而，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)后，產(chǎn)業(yè)界便發(fā)現(xiàn)許多整合FET的驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于熱能設(shè)計(jì)有處理上的困難。
承續(xù)上述論點(diǎn)，許多整合FET的產(chǎn)品在30℃環(huán)境溫度下操作，其IC接面點(diǎn)溫度超過(guò)90℃，這代表元件在外部環(huán)境建議的操作溫度下，只有35℃的余量（到達(dá)150～160℃時(shí)就會(huì)進(jìn)入熱能關(guān)機(jī)，但最大的建議操作溫度是125℃），這對(duì)熱能機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是很難處理的，故須確保該情況不會(huì)在LED的應(yīng)用上發(fā)生。
熱能挑戰(zhàn)迎刃而解高整合控制器功不可沒(méi)
總括來(lái)說(shuō)，60℃溫差的熱能循環(huán)（從LED帽到焊接點(diǎn)，一直到驅(qū)動(dòng)板）在設(shè)計(jì)上并不完美。談到LED的使用壽命和可靠性，熱能永遠(yuǎn)是必須解決的問(wèn)題，而圖3所示的LM3409控制器就是一個(gè)優(yōu)異的選擇，它能讓設(shè)計(jì)者透過(guò)各種外部元件將熱能排出，以一個(gè)低成本的P-Channel金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（PFET）外部元件為例，藉由使用LM3409就能顯著降低系統(tǒng)溫度，而其中最熱的元件應(yīng)該是53℃的PFET.
由于LM3409的接面溫度是43℃，而所有測(cè)試都在30℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，這表示其擁有充分的熱能余量，也使設(shè)計(jì)者更容易達(dá)到熱能設(shè)計(jì)的目標(biāo)。此外，LM3409係一個(gè)高度整合的控制器，特別是用于固定電流的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，所以只需要少數(shù)的外部元件，便可以解決尺寸問(wèn)題和降低生產(chǎn)成本。
圖3適合中型陣列設(shè)計(jì)的LM3409採(cǎi)用12VAC系統(tǒng)，可驅(qū)動(dòng)640毫安培電流和10.4伏特的LED陣列封裝
LM3409亦具有容易進(jìn)行調(diào)光控制的優(yōu)勢(shì)，不論是PWM調(diào)光（在EN接腳上）或是類比調(diào)光，均可藉由一個(gè)電壓分壓器隔開(kāi)主要輸入軌來(lái)獲得類比調(diào)光功能，如此一來(lái)，就能在輸入電壓直接降低時(shí)，連帶使LED電流下降，以達(dá)到設(shè)計(jì)彈性。其次，如果要求絕對(duì)色彩準(zhǔn)確性或其他特殊的調(diào)光功能，則可使用PWM訊號(hào)（外部的微控制器或類似裝置所提供）或是類比IADJ接腳，完成此一需求。
另一方面，LM3409具有兩個(gè)有效的監(jiān)視電流迴路，一個(gè)是設(shè)置在高端電流感測(cè)電阻RSNS，另一個(gè)直接在ISENS.設(shè)計(jì)者有叁個(gè)方法經(jīng)由ISENS來(lái)達(dá)到類比調(diào)光，首先是透過(guò)ISENS開(kāi)路以讓RSNS控制LM3409；再者係提供接腳一個(gè)從0～1.24伏特的外部電壓（由RSNS設(shè)置時(shí)1.2伏特是最大輸出）；或可從接腳到地面連結(jié)一個(gè)分壓器以改變電流（永遠(yuǎn)將RSNS設(shè)置到最大）。
透過(guò)以上叁種方式，在交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)由電壓分壓器到主輸入軌就能輕易連結(jié)；不過(guò)若選擇電壓分配器在1.24伏特時(shí)，則可擁有最大的輸入電壓（12VAC系統(tǒng)16.97V，24VAC系統(tǒng)33.94V），因此，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，理所當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較低的光源輸出。
而值得討論的是，該情況與不具典型調(diào)光裝置驅(qū)動(dòng)器的差別，或沒(méi)有這個(gè)連結(jié)的話，LM3409將如何表現(xiàn)。
由于上述情況均是針對(duì)直流對(duì)直流的調(diào)節(jié)器，所以會(huì)有輸入到輸出改變的自然情形，有鑑于此，想要對(duì)一個(gè)固定的電壓或電流加以控制的想法便應(yīng)運(yùn)而生。舉例來(lái)說(shuō)，若不提供一個(gè)調(diào)光訊號(hào)，電路就會(huì)嘗試維持電流的規(guī)格，直到輸入電壓接近輸出電壓（LED驅(qū)動(dòng)電壓），且輸出電平將不會(huì)改變，直到輸入端進(jìn)入電路訊號(hào)損耗區(qū)（通常是在降壓調(diào)節(jié)器運(yùn)作下驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，輸入的伏特?cái)?shù)高于所要求的輸出），當(dāng)輸入電壓開(kāi)始下降時(shí)，輸出電壓也隨著快速減少。
反觀在PFET控制器的調(diào)節(jié)下，LM3409只有小範(fàn)圍的改變，能夠在整個(gè)工作週期下，維持非常低的損失，其使用類比調(diào)光功能可以線性方式降低LED電流，使LED具備可調(diào)光的設(shè)計(jì)，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉前達(dá)到欠壓鎖定設(shè)定（或者可以用極小的輸出電壓驅(qū)動(dòng)LED）。藉由改變電壓的方式來(lái)達(dá)到調(diào)光功能，已能有效的控制輸入線路，而在交流對(duì)直流的前端，則需要額外的電容以達(dá)到光源輸出后，所造成的輸入漣波最小化。
此外，透過(guò)直接連結(jié)調(diào)光功能到輸入電壓，可不須顧慮LED驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定度。除非充分過(guò)濾，否則輸入線路的任何暫時(shí)狀態(tài)都會(huì)顯示在輸出上。因此，該連結(jié)方式較不受到支持，除非須要使用調(diào)光功能，讓IADJ維持開(kāi)路。
另一方面，低電壓TRIAC調(diào)光裝置也可能會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。使用調(diào)壓變壓器或以交流低電壓波形降低峰值的低電壓調(diào)光系統(tǒng)，若使用類似的電路就可以良好的運(yùn)作，不過(guò)，TRIAC調(diào)光系統(tǒng)需要額外的電路用以適當(dāng)?shù)慕獯a截波波形。
低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED照明解決方案大小通吃
總結(jié)而言，低電壓交流電系統(tǒng)結(jié)合LED照明效能，可提供設(shè)計(jì)者創(chuàng)造各式各樣從小型到大型照明解決方案的能力。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體擁有適用于24VAC和12VAC系統(tǒng)廣泛的產(chǎn)品組合，以協(xié)助實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)，在五花八門的產(chǎn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)須透過(guò)現(xiàn)今驅(qū)動(dòng)器的一些特性與進(jìn)展，才能作出正確的決定，并使設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)易、更健全和有效降低成本。擁有完備的解決方案知識(shí)，將能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兼具快速及成本效益的解決方案，亦讓設(shè)計(jì)人員擁有許多可用的選擇。
不僅如此，低電壓交流電LED在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方面也提供穩(wěn)定的電路分析，有關(guān)這些優(yōu)點(diǎn)都能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和金錢，同時(shí)也能提升產(chǎn)品的可靠性。
