LED照明應(yīng)用的無閃爍調(diào)光實現(xiàn)方案

　　如今，LED照明已確然成為一項主流技術(shù)。該項技術(shù)正日臻成熟，標(biāo)志之一就是大量LED照明標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的陸續(xù)出臺。嚴(yán)格的效率要求已存在相當(dāng)一段時間了，今后仍將不斷提高。但近段時間，LED照明設(shè)計師的工作卻更為棘手了，因為要同時滿足以下兩項要求：既要用針對白熾燈的調(diào)光器來實現(xiàn)調(diào)光控制功能，又要實現(xiàn)高功率因數(shù)性能。

　　調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見的功能。對于白熾燈來說，它可以以低成本輕易實現(xiàn)。LED燈的調(diào)光卻存在一定難度，但對于建筑師和住宅用戶來說，在轉(zhuǎn)換到LED照明時可不愿失去調(diào)光控制應(yīng)有的優(yōu)勢。

　　功率因數(shù)是非常重要的因素，因為高功率因數(shù)可降低配電網(wǎng)絡(luò)的損耗。降低電力使用對環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監(jiān)管機構(gòu)都在進一步嚴(yán)格他們的功率因數(shù)規(guī)范。其中一個例子就是能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范(09/12/07)，它規(guī)定住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應(yīng)大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應(yīng)大于0.9。

　　圖1:LED燈泡構(gòu)造圖。

　　LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應(yīng)，自然希望他們的產(chǎn)品具有盡可能高的通用性。因此，他們非常需要能兼容各種調(diào)光器的LED驅(qū)動電路，實現(xiàn)高效率工作并使功率因數(shù)達到0.9以上。

　　調(diào)光控制器

　　照明控制器以線路調(diào)光或次級側(cè)調(diào)光的方式進行工作。最簡單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的事,使用可控硅控制器對LED燈進行調(diào)光時會產(chǎn)生大量問題。更先進的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。次級側(cè)電子控制調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

　　可控硅控制器在白熾燈中的表現(xiàn)無可挑剔，但在LED燈中會產(chǎn)生各種負面效應(yīng)，其中包括閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動。要想弄清原因，首先必須了解可控硅調(diào)光器的工作原理。

　　圖2:前沿可控硅調(diào)光器。

　　調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個半周期的相位角來實現(xiàn)的。燈泡燈絲中的電流與調(diào)光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0°(接近0°)到180°之間?？煽毓璧闹匾?a target="_blank">參數(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩(wěn)定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40 mA。驅(qū)動白熾燈時，維持電流不是問題。然而，由于LED燈效率較高，在無法保持維持電流和燈熄滅時，就會出現(xiàn)問題。如有任何振蕩發(fā)生，就很容易出現(xiàn)此類情況。

　　對可控硅控制器來說，白熾燈的阻抗非常低，因此不會出現(xiàn)振蕩。相反，LED驅(qū)動器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個半周期，當(dāng)可控硅導(dǎo)通時就會出現(xiàn)浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導(dǎo)通角下輸入電壓達到最大值。由于線路/濾波器阻抗的存在，總線電壓會發(fā)生過沖，從而發(fā)生振蕩。如果振蕩導(dǎo)致電流降到IH以下，可控硅將關(guān)斷(圖3)。

　　圖3:輸入EM濾波器引起的電流振蕩。

　　當(dāng)可控硅關(guān)斷時，R1和R2對DIAC(圖2)重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導(dǎo)通TRIAC，重新開始下一開關(guān)周期。結(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)多次重啟動可控硅(圖4)。

　　圖4:可控硅因振蕩多次重啟動。

　　為避免出現(xiàn)與可控硅調(diào)光相關(guān)的問題，LED驅(qū)動器必須滿足LED負載非常不同的要求，同時還得與專為白熾燈設(shè)計的調(diào)光電路實現(xiàn)兼容。用于替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈通常包含多個LED，確保提供均勻的光照。這些LED以串聯(lián)方式連接在一起。每個LED的亮度由其電流大小決定。LED的正向電壓降約為3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V之間(±20%)。盡管負載變化較大，但LED燈串仍須由恒流電源提供驅(qū)動，因此必須對電流進行嚴(yán)格控制，以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。

　　LED燈要想實現(xiàn)可調(diào)光，其電源必須檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，并利用該信息來改變LED的恒流驅(qū)動。電路自身所產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅(qū)動電路必須控制功率因數(shù)。

　　LED驅(qū)動器控制

　　很顯然，LED驅(qū)動器采用標(biāo)準(zhǔn)反激式拓撲結(jié)構(gòu)是絕對不行的，必須使用專用的LED驅(qū)動器。圖5和圖6可以說明這一點。

　　圖5:使用TOPSwitch-HX的標(biāo)準(zhǔn)反激式電路。

　　圖5所示為使用 Power Integrations (PI)的TOPSwitch?-HX控制器設(shè)計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由輸出端的齊納二極管決定。這樣可通過光耦器向控制器提供反饋信號。TOPSwitch-HX控制器在輸入C處收到電壓反饋信號后，會調(diào)整集成高壓功率MOSFET開關(guān)的占空比，以維持要求的輸出。對于給定的負載和輸入電壓，電路將以固定頻率和占空比進行工作。

　　可以對電路進行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅(qū)動LED燈。但是，無法實現(xiàn)可控硅相位角檢測和功率控制。

　　圖6:專用于恒流LED負載的反激式電源。

　　圖6所示為使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH設(shè)計的反激式電源。LinkSwitch-PH控制器集成了多項專用于驅(qū)動LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，它采用了初級側(cè)調(diào)整。這樣可省去光耦器和次級側(cè)控制電路。變壓器上的次級側(cè)繞組(偏置繞組)具有兩種功能：通過BP引腳為LinkSwitch-PH供電，通過FB引腳提供電流反饋。這兩個次級側(cè)繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經(jīng)LED負載的電流成比例。控制器在FB引腳收到電流反饋后，會調(diào)整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調(diào)整率。

　　該電路設(shè)計可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作。控制器隨著市電輸入在每個半周期內(nèi)的升降持續(xù)調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個半周期內(nèi)的平均電荷進行控制，使其維持輸出電流調(diào)整率，如圖7所示。

　　圖7:LinkSwitch-PH占空比在AC半周期內(nèi)的變化。

　　在接近過零點時，瞬態(tài)輸入電壓較低，占空比較大。在整流AC輸入峰值點時，電壓達到最大值，占空比最小。對于每個開關(guān)周期，MOSFET電流在每個周期內(nèi)被積分，以得到一個電荷量。將每個周期的電荷量與參考值進行比較，當(dāng)兩個數(shù)值相等時就停止開關(guān)。V引腳輸入設(shè)置輸入電壓增益參數(shù)，用于提供線電壓補償。

　　調(diào)光控制

　　LinkSwitch-PH可通過鏈接輸入R和0 V的編程電阻設(shè)置為調(diào)光模式，也可設(shè)置為非調(diào)光模式。在非調(diào)光模式下，電路可以接近1的功率因數(shù)在全AC輸入范圍內(nèi)提供恒流輸出。在調(diào)光模式下，整流輸入的過零點和相位角用于設(shè)置輸出電流水平，從而提供調(diào)光功能。LinkSwitch-PH可用來設(shè)計這樣的高性能LED驅(qū)動器：可在全輸入電壓范圍內(nèi)工作，并使低成本可控硅調(diào)光器的調(diào)光范圍達到1000:1，同時無任何閃爍現(xiàn)象。圖8中的電路圖說明了這是如何實現(xiàn)的。

　　圖8:7 W可調(diào)光LED驅(qū)動器電路圖。

　　圖8所示為使用LinkSwitch-PH LNK403EG (U1)(Ref 1)設(shè)計的7 W可調(diào)光的可控硅LED驅(qū)動器的電路圖。該電路使用低成本的前沿可控硅調(diào)光器即可實現(xiàn)1000:1的調(diào)光范圍，同時無任何閃爍現(xiàn)象發(fā)生，具有快速啟動(<100 ms)和一致的元件間調(diào)光性能。該設(shè)計具有極高能效(≥81%)和高功率因數(shù)(>0.9)。圖9顯示了超寬范圍內(nèi)的調(diào)光控制的線性特性。

　　圖9:輸入相位對應(yīng)于輸出電流的變化。

　　實現(xiàn)一致調(diào)光性能的關(guān)鍵之一就是在輸入端使用一個小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個特性有助于簡化輸入濾波，它們是連續(xù)導(dǎo)通模式和頻率抖動。連續(xù)導(dǎo)通模式具有兩大優(yōu)勢：降低導(dǎo)通損耗(從而提高效率)和降低EMI特征。這有助于以低成本的小型輸入EMI濾波器來滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求?？墒∪ヒ粋€X電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH中的控制器還可將抖動應(yīng)用到高壓功率MOSFET的開關(guān)。這樣可擴展開關(guān)頻率的范圍，進一步降低濾波要求。

　　輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅(qū)動電路的阻抗隨之減小，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于LinkSwitch-PH由其內(nèi)部參考電源供電，因此可進一步增強穩(wěn)定性。為確保與所有類型的調(diào)光器控制實現(xiàn)兼容，本設(shè)計添加了兩個簡單的可選元件 - 衰減電路和泄放電路。衰減電路由元件R12、R13、R20、R17、D7、Q1、C13、VR2、Q3以及R16共同組成。該電路的作用是減小可控硅調(diào)光器導(dǎo)通時所產(chǎn)生的浪涌電流。在115 VAC下，當(dāng)可控硅導(dǎo)通時，電路中的浪涌電流在頭2.4 ms(230 VAC下則為1.2 ms)先流經(jīng)R16。在大約2.4 ms后，Q3導(dǎo)通并將R16短路。這樣可消除在半周期的剩余部分因電流流經(jīng)R16而造成的功耗。泄放電路由C9和R14組成。泄放電路的作用是確保在深度調(diào)光情況下，當(dāng)對LED負載施加極低電流時，使可控硅電流始終大于維持電流閾值，從而防止可控硅過早關(guān)斷。

　　圖10:衰減電路和泄放電路有助于確保實現(xiàn)1000:1的調(diào)光范圍。

　　增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調(diào)光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，且無任何閃爍。

　　非隔離式LED驅(qū)動器

　　圖8中的電路采用了隔離式設(shè)計。該設(shè)計能為驅(qū)動器與LED燈相隔離的照明系統(tǒng)提供全面的安全保護。這是高功率商業(yè)和工業(yè)照明系統(tǒng)常用的設(shè)計。對于驅(qū)動器與LED燈同時集成在同一外殼中的應(yīng)用來說，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設(shè)計和非隔離式設(shè)計。采用非隔離式設(shè)計可以大幅減少元件數(shù)并降低系統(tǒng)成本。PI的LinkSwitch?-PL系列器件可提供單級功率因數(shù)校正和恒流控制，同時集成了一個725 V MOSFET，非常適合非隔離應(yīng)用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG (Ref2)設(shè)計的5 W可調(diào)光的功率因數(shù)校正LED驅(qū)動器的電路圖。

　　圖11:電路圖–去除突出顯示的結(jié)構(gòu)框即可用于非調(diào)光應(yīng)用。

　　本設(shè)計是低成本、低元件數(shù)和PCB占用面積小的解決方案，可用于白熾燈替換燈。使用包括前沿可控硅調(diào)光器在內(nèi)的所有調(diào)光器類型，都可以實現(xiàn)無閃爍及100:1的調(diào)光范圍。由于元件間具有一致的調(diào)光性能，因此啟動時間小于300 ms。在可調(diào)光模式下，115/230 VAC輸入的效率 >73%;在非調(diào)光模式下，115/230 VAC輸入的效率 >78%，且功率因數(shù) >0.9。

　　圖12:驅(qū)動器集成在A19 LED替換燈中(電路板從殼體中去除)。

　　在設(shè)計中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設(shè)定點由R18上的電壓降決定。然后將電壓反饋到U1的FB引腳。輸出過壓保護由VR2和R14提供。

　　圖13顯示了反饋電壓如何用于讓前沿調(diào)光器進行調(diào)光。

　　圖13:FB引腳參考電壓與可控硅相位角之間的函數(shù)關(guān)系。

　　LED輸出電流由FB引腳電壓控制，F(xiàn)B引腳電壓隨可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角按比例進行變化。當(dāng)導(dǎo)通角減小時，F(xiàn)B引腳參考電壓隨之降低，從而減小LED平均電流。在接近主半周期持續(xù)時間的25%時(?OS)，開始調(diào)整FB引腳電壓。在?OS和?OL之間，相位角與反饋電壓VFB之間存在線性關(guān)系。在?OL之后，可控硅導(dǎo)通角變得非常小，IC以恒定的頻率和占空比進行開環(huán)，其內(nèi)部集成的高壓功率MOSFET能夠處理嚴(yán)重切角的輸入電壓所帶來的最大功率，從而產(chǎn)生深度調(diào)光的光輸出。為使調(diào)光器中的可控硅保持維持電流，LinkSwitch-PL可將MOSFET導(dǎo)通時間朝AC輸入電壓的過零點進行延長，從而提供有源泄放或維持功能。

　　本設(shè)計中集成了有源衰減和泄放電路，可確保所有類型的調(diào)光器控制在最差條件下均能進行無閃爍工作。對于非調(diào)光應(yīng)用，可以省略這些元件。

　　從上面介紹的兩種應(yīng)用情況可以看出，如果所采用的控制器既能執(zhí)行功率因數(shù)校正，又能執(zhí)行恒流驅(qū)動和相位角檢測，那么設(shè)計出的隔離式及非隔離式LED驅(qū)動器就能與所有類型的調(diào)光控制器實現(xiàn)穩(wěn)定工作。此外，還能使電路滿足所有國際標(biāo)準(zhǔn)的效率、功率因數(shù)、諧波和EMI要求。過去，白熾燈泡必須針對特定的電源電壓進行制造。現(xiàn)在，卻不必再受此限制，制造出的可調(diào)光LED燈可以不經(jīng)任何改裝而通用于世界各地。