低電壓交流電照明系統(tǒng)在市場(chǎng)上愈來(lái)愈受歡迎，從室內(nèi)重點(diǎn)照明（Accent Lighting）到一般的軌道燈，乃至于應(yīng)用在戶外照明系統(tǒng)。零售商和家居建材行如IKEA和Home Depot已經(jīng)將這些技術(shù)迅速而廣泛的傳達(dá)給顧客，使電源系統(tǒng)納入特定低電壓的使用規(guī)則，使用者便不必經(jīng)過(guò)承包商而能自行安裝。

　　低電壓交流電LED照明應(yīng)用興起

　　所有低電壓交流電照明系統(tǒng)使用的是一種獨(dú)立式主電源，這個(gè)主電源提供離線交流電轉(zhuǎn)換成低電壓的方案，在任何負(fù)載下，即使電路處于開(kāi)路的情況，其輸出均不會(huì)超過(guò)30伏特有效值（VRMS）。其次，在所有狀況下，電路必須有一個(gè)25安培（A）的電流限制，這兩個(gè)條件將決定低電壓交流電照明應(yīng)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(tǒng)或24伏特600瓦的系統(tǒng)皆是。

　　鑑于上述塬因，低電壓交流電照明在發(fā)光二極體（LED）照明應(yīng)用中，相當(dāng)受到青睞，該技術(shù)甚至可應(yīng)用在300瓦的LED照明功率中，相當(dāng)于叁至四個(gè)街燈的輸出。此舉讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)上擁有很大的彈性，可允許相對(duì)較大型的單一組件或由單一電源提供的多組態(tài)燈器設(shè)計(jì)，亦或是在這兩者之間的設(shè)計(jì)?？纱_定的是，透過(guò)具彈性的LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)，將使照明系統(tǒng)從傳統(tǒng)白熾燈大步往前邁進(jìn)。

　　而在低壓交流電系統(tǒng)中，可考慮叁個(gè)不同的照明燈具，首先是僅在一到兩個(gè)個(gè)別系統(tǒng)中裝置一個(gè)大/高輸出設(shè)計(jì)；其次為可支援十到二十個(gè)裝置于系統(tǒng)小燈源的中型輸出設(shè)計(jì)；最后則是可允許在單一系統(tǒng)中存在五十到一百個(gè)照明器的小型輸出設(shè)計(jì)。

　　大型陣列設(shè)計(jì)打造高燈源輸出應(yīng)用

　　以大型陣列設(shè)計(jì)而言，在兩個(gè)不同的範(fàn)圍中，立即能顯現(xiàn)出LED獨(dú)特設(shè)計(jì)的好處，特別是在更獨(dú)特的大型照明燈源例子中，可透過(guò)大型陣列創(chuàng)造出高燈源輸出應(yīng)用。一般而言，在街燈的應(yīng)用（採(cǎi)用高電壓離線解決方案）上會(huì)使用100瓦的LED燈源，雖然不建議其使用低電壓交流電系統(tǒng)（這會(huì)帶來(lái)整個(gè)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)置），但設(shè)計(jì)者卻有機(jī)會(huì)以低電壓交流電的預(yù)算達(dá)到同樣效果，進(jìn)而從一個(gè)3.5伏特的順向電壓和使用350毫安培電流的標(biāo)準(zhǔn)LED著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，大致上以每個(gè)1.2瓦或約八十個(gè)LED為基礎(chǔ)。

　　為達(dá)到所期待的輸出電力，使用單一驅(qū)動(dòng)器并使用多組串聯(lián)/并聯(lián)組合方式的LED方案便很有吸引力，但產(chǎn)業(yè)界通常不鼓勵(lì)此種設(shè)計(jì)規(guī)則，塬因在于若支持個(gè)別控制每一個(gè)LED線路，首先遇到的問(wèn)題為，LED和溫度有前饋的關(guān)係，當(dāng)溫度上升時(shí)，須嚴(yán)格控制順向電壓下降，以避免更多電流流動(dòng)，進(jìn)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(huì)很快產(chǎn)生搭配不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，若電流沒(méi)有被個(gè)別安排，以便通過(guò)整個(gè)線路，便很可能成為系統(tǒng)故障的來(lái)源。

　　利用線上設(shè)計(jì)工具尋找適合LED驅(qū)動(dòng)器

　　如同前述，市場(chǎng)上有各式各樣的驅(qū)動(dòng)器能符合需求。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（NS）就有幾款LED驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到所需的最大輸入範(fàn)圍，同時(shí)也具備簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)的特性和效能表現(xiàn)。先從24VAC系統(tǒng)談起，此為最引人注意的特殊大型燈具，目前談及的驅(qū)動(dòng)器都是直流對(duì)直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器，所以在主電源提供的交流電訊號(hào)將會(huì)有進(jìn)行一些整流的情形，基于此種情況，對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸入條件須改為：24VRMS=67.88VPP和在調(diào)整后驅(qū)動(dòng)器最大的輸入電壓範(fàn)圍34伏特。

　　就確實(shí)可知的條件來(lái)說(shuō)，在此階段的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者心中可能已有一個(gè)特定的LED規(guī)格，而本文討論的所有設(shè)計(jì)，都可以使用如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的WEBEBCH LED Designer線上設(shè)計(jì)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，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(tài)。此外，在350毫安培和Vf=3.5伏特條件下，可驅(qū)動(dòng)九個(gè)LED組合而成的24VAC燈串，整流后為34伏特直流電（VDC）。而透過(guò)線上工具中的參數(shù)搜索工具，看似擁有許多適用的輸入範(fàn)圍，然因工作週期的限制，其實(shí)并沒(méi)有大量可支援的線路。在此情況下，僅有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3401和LM3409兩款LED驅(qū)動(dòng)器可作支援，若把LED的數(shù)量從九顆減少至八顆，在驅(qū)動(dòng)器的選擇上才會(huì)增加。

　　值得注意的是，當(dāng)燈串的LED數(shù)量增加時(shí)，則須要經(jīng)由電壓的升壓來(lái)支援，現(xiàn)今大多低電壓交流電應(yīng)用的主要轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器（輸出到LED的驅(qū)動(dòng)電壓比輸入到轉(zhuǎn)換器的電壓還低），這是對(duì)較少LED線路的主要觀點(diǎn)。

　　了解驅(qū)動(dòng)器角色對(duì)癥下藥

　　一般來(lái)說(shuō)，盡可能使用單一驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED最符合成本效益，然并不主張?jiān)趩我或?qū)動(dòng)器中使用并聯(lián)線路，而是希望串聯(lián)線路盡可能延長(zhǎng)；其有利條件在于，即使線路受到嚴(yán)格規(guī)範(fàn)和保護(hù)，亦可確保通過(guò)LED的電流皆相同。如此一來(lái)，一個(gè)較大的輸入電壓就能簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)大量的LED線路，只是在經(jīng)過(guò)整流后，該線路通常會(huì)流失一半的交流電電壓值，故其優(yōu)勢(shì)大打折扣；為解決此一問(wèn)題，則可改採(cǎi)升壓解決方案（輸出電壓比輸入電壓大時(shí)），以減輕驅(qū)動(dòng)大量LED線路的負(fù)擔(dān)。

　　另一個(gè)觀點(diǎn)是，若燈串可維持低于二十個(gè)LED（Vf=3.5V和350mA的LED驅(qū)動(dòng)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(jīng)由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體任一款LM342X驅(qū)動(dòng)器達(dá)到，它提供過(guò)壓/欠壓保護(hù)機(jī)制、電流限制，以及依需求選配的過(guò)熱保護(hù)功能。

　　此外，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器裝置特色的了解在電路設(shè)計(jì)上扮演重要的角色，如是否須支援脈衝寬度調(diào)變（PWM）調(diào)光、類比調(diào)光等，或是為改變光源輸出是否須加入一些光學(xué)要件及過(guò)熱保護(hù)，以上考量均為選用何種驅(qū)動(dòng)器的因素。

　　針對(duì)上述需求，LM3421/23驅(qū)動(dòng)器具備阻止和察覺(jué)額外錯(cuò)誤警告的特色，對(duì)于欲達(dá)到高層級(jí)保護(hù)及提供微控制器（MCU）反應(yīng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是很合適的元件。而LM3424內(nèi)建的過(guò)熱保護(hù)功能有利于光學(xué)或過(guò)熱保護(hù)應(yīng)用（降低與LED溫度有關(guān)的輸出電流）；再者，LM3429雖為此系列產(chǎn)品最基本款的驅(qū)動(dòng)器，但仍具有在升壓應(yīng)用中的過(guò)壓保護(hù)和電流限制，協(xié)助升壓檢測(cè)。

　　圖1所示為驅(qū)動(dòng)二十個(gè)LED，每一個(gè)平均電流均為350毫安培，3.5伏特順向電壓的電路圖，此外，電路也許會(huì)因?yàn)轫氁M(jìn)行類比調(diào)光（當(dāng)輸入減少時(shí)光源的輸出就會(huì)降低）而有所改變，以符合簡(jiǎn)單又全面受到保護(hù)的線路驅(qū)動(dòng)器。如欲尋求更嚴(yán)格的顏色準(zhǔn)確度，可採(cǎi)用PWM調(diào)光。

　　圖1 大型陣列設(shè)計(jì)應(yīng)用LM3429的升壓配置，採(cǎi)用24VAC系統(tǒng)，在電流為350毫安培的條件下，可驅(qū)動(dòng)二十個(gè)LED。

　　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)。