面向 LED 照明的低压交流应用

低压交流照明系统
在过去的30年中，低压交流照明设备已日趋普及。如今，从室内局部照明到一般性的活动式投射灯照明，再到如花园和景观等户外应用照明中，此类照明系统随处可见。像宜家家居和美国家得宝这样的家居零售卖场和住宅美化商场极大推进了该技术在消费人群中的使用。这类低压照明系统采用特殊低压编码规则，终端用户可自行安装而无需外部承包商。因此，这些系统相对便宜且易于安装。

低压交流照明尤其适用于LED照明应用——在光效方面，最新的300W LED的光效等同于3～4个街灯所输出的光能！这为设计者在设计过程中提供了极大的灵活度——可以进行相对较大的整体性单元设计，或者在单电源上设计多个小型灯具，或者两者的组合。可以确定的是，相对于传统白炽灯，基于LED的设计的灵活性得到了大幅提升。

设想一下在一个低压交流系统上应用三类不同的照明设备：一个大的/高输出设计在每系统中仅能支持一个或两个照明设备，一个中等输出设计将在一个系统中支持多个（10～20个）较小的灯具，而一个输出较小的设计则需要在一个单系统上支持大量（50～100个或更多）的灯具。

大型阵列设计
光谱终端最能体现出使用LED进行设计的独特优势。对于越大型的单个照明设备，越有可能采用大阵列来实现更高的光输出应用。100W的LED灯通常会面向街灯照明应用（采用高压解决方案）。但我们并不建议您将低压交流系统用于街灯照明（因为它需要一整套全新的规则和标准），但设计者有可能在一个低压交流设计预算的基础上实现同样的照明效果。让我们以一个3.5V正向电压和350mA电流的标准LED为例展开讨论。藉此，能粗略地估算出每个LED功率为1.2W，需要大概总计80个LED灯。

为了达到预期的输出效果，会有人试图采用一个单驱动器及多个串/并联的LED灯的组合。我们通常会对此感到沮丧，因为设计规则只允许我们对每个LED灯串进行单独的控制。其原因如下：首先，LED和温度间存在着正反馈的关系——温度升高，则正向电压下降，从而引起更多的电流流动（如果不严密控制），这会令LED发热量增大。采用该方式，不同的LED灯串共用同一电流源将迅速失配。如果不分别控制每个灯串上的电流，那么系统将很快出现故障。

以24VAC系统为例——24VAC系统是最常见的单个大型设备系统（稍后将分析原因）。我们讨论的驱动器均是DC/DC转换器——所以要对主电源提供的交流信号进行整流。基于此，转换器的输入条件为：

24VRMS=67.88VPP，通过整流得到的用去驱动环节的最大输入电压为34V。

了解准确的供电情况后，在设计阶段，脑海中就已经有了一个特定的LED。正如我们在这里讨论的所有设计一样，在WEBENCH LED Designer在线工具中简单键入输入电压、LED型号/值和想要的LED输出配置即可。查看搜索工作会发现，似乎在该输入范围内，任何参数都可以满足设计需求，但受制于占空比，事实上无法支持如此多的LED串。在这种情况下，只有LM3401 和 LM3409两款LED驱动器产品可以满足上述条件。我们把LED的数量减少一个，变为8个，由此实现了更多选择。

但更有趣的是，当LED串由电压支持，且LED串中LED的数目增多时，大多数低压交流应用系统中的首选的转换器拓扑结构多为降压转换器——其驱动LED的输出电压远低于转换器的输入电压。这是适用于由少量LED组成的LED串的设计思路。

一般来说，最节省成本的方式是用单个驱动器驱动尽可能多的LED。由于我们不提倡使用单驱动器并联灯串，这样就会令串联的灯串尽可能的长。串联灯串的优势是可以精确地确保此灯串上流过所有LED灯的电流相同，并可提供所需的照明调节和保护。很显然，更大的输入电压可以更轻松地驱动更多的LED。但是，由于我们经常会在整流过程中令交流电压值减半，这极大削弱了其优势。令输出电压大于输入电压的升压解决方案即充分利用该点，并通过调节所需的输出电压来驱动由更多的LED组成的大LED串。

如果灯串内的LED在20个以下（Vf=3.5V，LED驱动电流为350mA的条件下）即在低压限制的范围内（70VDC——在84.85VPP低压限制内）保持升压输出。使用LM342X可以轻松实现上述设计要求，并能提供大量保护机制，如超压、欠压和电流限制特性，以及需要的热折返特性。

更好地理解器件特性将发挥重要作用。要想到，是否希望支持脉冲宽度调制（PWM）调光？模拟调光？或是否希望结合某种光学或热反馈来改变我的光输出情况？这些问题都有助于进行不同选择。LM3421/23具有使能引脚和众多的附加故障检测报警功能，这让其成为需要高保护水平和需求对微控制器提供反馈信息的应用系统的理想选择。LM3424内置热折返性能使其适用于光学和热反馈（降低与LED温度相关的输出电流）应用系统。

图1所示为20个LED灯的串联驱动电路，每个LED灯基于3.5V的正向电压和350mA的电流。此外，可以修改电路可以用于模拟调光——光输出会随着输入等级的降低而减少——这允许使用一种非常简单，但受到充分保护的大串驱动器。如果想要更高的彩色精确度，则可以使用脉宽调制（PWM）调光。

图1 升压配置的LM3429可驱动20个LED