基于TRIAC的調(diào)光器改善LED照明閃爍問題

LED照明是一種主流技術(shù)。 LED手電筒，交通信號燈和車燈是司空見慣的，并且正在推動以電源供電的住宅，商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中取代白熾燈和熒光燈。轉(zhuǎn)向高能效LED照明所節(jié)省的能源簡直令人咋舌。僅在中國，當(dāng)局估計將該國三分之一的照明市場轉(zhuǎn)移到LED將節(jié)省至少1億千瓦時的電力，每年減少二氧化碳排放量2900萬噸。然而，有一個障礙 - 控制輸出沒有閃爍是困難的，特別是在照明等應(yīng)用中，無論是國內(nèi)還是城市。

白熾燈使用簡單，低成本，領(lǐng)先的基于TRIAC的調(diào)光器，相對容易調(diào)光。 TRIAC是一種電子開關(guān)，允許小的控制電壓和電流切換非常高的電壓，如照明控制系統(tǒng)。結(jié)果，這些調(diào)光器無處不在。為了使固態(tài)照明或基于LED的改型燈真正成功，它們必須能夠在與現(xiàn)有控制器和布線一起使用時變暗。

嘗試調(diào)暗LED燈遇到了許多問題，經(jīng)常導(dǎo)致閃爍和其他不良行為。要了解原因，首先要解釋TRIAC控制器的工作原理，然后考慮LED燈的技術(shù)，最后看看這兩者是如何相互作用的。

圖1：典型的前沿TRIAC調(diào)光器及其產(chǎn)生的電壓和電流波形。 （來源：Power Integrations）。

在典型的TRIAC控制器中（見圖1），電位器R2用于調(diào)節(jié)TRIAC的相角，當(dāng)VC2超過DIAC的擊穿電壓時，TRIAC會在每個主要交流電壓邊沿觸發(fā)。當(dāng)TRIAC電流低于其保持電流（IH）時，TRIAC關(guān)閉，必須等到C2在下一個半周期再充電才能再次打開。施加在燈絲上的電壓和通過燈絲的電流是調(diào)光信號的相位角的函數(shù)，其可以從幾乎為零到180°變化。

用于取代標(biāo)準(zhǔn)白熾燈泡的LED燈通常包含LED陣列，其布置成提供均勻的光擴(kuò)散。 LED串聯(lián)連接。每個LED的亮度是通過它的電流的函數(shù)，LED的正向壓降通常約為3.4 V，但可以在2.8 V到4.2 V之間變化.LED串應(yīng)由恒流驅(qū)動電源必須嚴(yán)格控制，以確保相鄰燈之間的匹配。

對于可調(diào)光的LED燈，燈的電源必須解釋TRIAC控制器的可變相角輸出，以單調(diào)調(diào)節(jié)LED的恒流驅(qū)動。在保持調(diào)光器正常工作的同時實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的困難可能導(dǎo)致性能不佳。調(diào)節(jié)亮度時，問題可能顯示為閃爍，啟動緩慢，照明不均勻或閃爍。還存在單元到單元不一致以及從燈發(fā)出的不希望的可聽噪聲的問題。這些影響通常是由錯誤觸發(fā)或過早關(guān)閉TRIAC和LED電流控制不當(dāng)引起的。錯誤觸發(fā)的根本原因是當(dāng)TRIAC觸發(fā)時的當(dāng)前振鈴。圖2說明了這種效果。

圖2.在LED燈電源輸入端看到的TRIAC電流和電壓振鈴。 （來源：Power Integrations）。

當(dāng)TRIAC點(diǎn)火時，此時的交流電源電壓幾乎瞬間施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍導(dǎo)致振鈴。如果在此振鈴期間通過調(diào)光器的電流低于TRIAC觸發(fā)電流，則TRIAC停止導(dǎo)通。然后，TRIAC觸發(fā)電路重新充電并重新點(diǎn)亮調(diào)光器。這種錯誤的多個TRIAC重啟會在LED燈中引起不期望的可聽噪聲和閃爍。較不復(fù)雜的輸入EMI濾波器有助于減少這種不良振鈴。為了成功調(diào)光，輸入EMI濾波電感和電容盡可能小是至關(guān)重要的。

振鈴的最壞情況是90°相位角（當(dāng)輸入電壓處于正弦波峰值時，突然施加到LED燈的輸入端）和高壓線路電壓（當(dāng)調(diào)光器正向電流最?。?。當(dāng)需要深度調(diào)光（相角接近180°）和低線路電源電壓時，可能會發(fā)生過早關(guān)斷。

為了實(shí)現(xiàn)低至低電平的可靠調(diào)光，TRIAC必須單調(diào)開啟并保持接近交流電壓降至零的程度。對于TRIAC，維持傳導(dǎo)所需的保持電流通常在8mA至40mA的范圍內(nèi)。對于白熾燈，這種電流易于維護(hù)，但是LED燈的功耗不到同等白熾燈功率的10％，電流很容易低于TRIAC的保持電流，導(dǎo)致器件過早關(guān)斷。這也可能導(dǎo)致閃爍和/或限制可調(diào)光范圍。

在設(shè)計LED照明電源時，許多其他問題也面臨挑戰(zhàn)。對于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，固態(tài)燈具的能源之星 2 規(guī)格要求最小功率因數(shù)為0.9。必須滿足對效率，輸出電流容差和EMI的嚴(yán)格要求，并且在LED負(fù)載短路或開路的情況下，電源必須安全響應(yīng)。

Power Integrations（PI）最近的技術(shù)/產(chǎn)品開發(fā)提供了一個很好的例子，說明如何應(yīng)對驅(qū)動LED和TRIAC兼容性的挑戰(zhàn)。圖3是PI開發(fā)的TRIAC可調(diào)光14 W LED驅(qū)動器的原理圖。

圖3.隔離式TRIAC可調(diào)光高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅(qū)動器的原理圖。 （來源：Power Integrations）。

該電路基于Power Integrations的LinkSwitch-PH?系列器件LNK406EG（U1）。 LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動器IC在單片IC中集成了725 V功率MOSFET和連續(xù)導(dǎo)通模式，初級側(cè)PWM控制器?？刂破髟趩渭壷袑?shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正和恒定電流輸出。 LinkSwitch-PH系列器件使用的初級側(cè)控制技術(shù)提供高度精確的恒流控制，無需光耦合器和支持電路，通常用于實(shí)現(xiàn)次級側(cè)控制電路的隔離式反激式電源，而控制器的PFC部分消除了電解大容量電容器。

LinkSwitch-PH系列器件可設(shè)置為調(diào)光或非調(diào)光模式。對于TRIAC相位調(diào)光應(yīng)用，參考引腳上使用編程電阻（R4），電壓監(jiān)控引腳上使用4MΩ（R2 + R3），以提供輸入電壓和輸出電流之間的線性關(guān)系，從而最大化調(diào)光范圍。

連續(xù)導(dǎo)通模式有兩個主要優(yōu)點(diǎn)：降低傳導(dǎo)損耗（因此效率更高）和更低的EMI特征，可以通過更小的輸入EMI濾波器滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。 LinkSwitch-PH系列器件中內(nèi)置的高壓功率MOSFET開關(guān)頻率抖動進(jìn)一步降低了濾波要求。較小的輸入EMI濾波器為驅(qū)動電路提供較低的無功阻抗，提供顯著降低輸入電流振鈴的關(guān)鍵優(yōu)勢。由于LinkSwitch-PH由其自身的內(nèi)部參考電源供電，因此穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。對于可調(diào)光應(yīng)用，增加有源阻尼器和泄放電路可確保在極寬的調(diào)光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，無閃爍的操作。恒定電流控制可實(shí)現(xiàn)±25％的電壓擺幅，無需將LED用于正向壓降，±5％的差異可確保LED亮度一致。

14 W LED設(shè)計實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)前沿TRIAC AC調(diào)光器兼容的目標(biāo)，非常寬的調(diào)光范圍（1000：1，500 mA：0.5 mA），高效率（》 85％）和高功率因數(shù)（ 》 0.9）。這表明可以克服與LED燈的TRIAC調(diào)光相關(guān)的問題，甚至可以直接設(shè)計具有一致且可靠性能的成本有效的可調(diào)光LED燈的驅(qū)動器。

圖4：LinkSwitch-PH簡化了LED驅(qū)動器的實(shí)現(xiàn)，需要結(jié)合大于0.9的功率因數(shù)，TRIAC調(diào)光和高效率。

電源管理 3

無意中閃爍的燈光會導(dǎo)致不適。長時間接觸會導(dǎo)致頭痛，頭暈，其他不適和視力表現(xiàn)受損?？梢姷拈W爍 - 通常發(fā)生在3到70赫茲之間 - 已經(jīng)在各種研究中顯示出對人類的不利影響比“隱形”閃爍 4 。對于人們在相當(dāng)長一段時間內(nèi)停留的區(qū)域（如辦公室，學(xué)校和醫(yī)院）的照明，確保所有光源都沒有明顯的閃爍是至關(guān)重要的。

與頻率一樣，調(diào)制深度是影響感知閃爍水平的另一個因素。 ［調(diào)制深度定義為（Lmax-Lmin）/（Lmax + Lmin），其中L是亮度］。根據(jù)Wilkins等人1989年的一項研究，調(diào)制深度越低，效果越小。 4 ，顯示已知在100 Hz時引起熒光照射頭痛的峰谷調(diào)制深度約為35％。

LED照明組件是電流驅(qū)動的設(shè)備，與傳統(tǒng)的光源（如基于金屬鹵化物的燈）不同，它們本身不會閃爍，這些燈往往會在使用壽命結(jié)束時閃爍。然而，可以通過LED驅(qū)動器或電源的特性引入閃爍。開關(guān)模式電源（SMPS）的輸出可能包含低頻諧波電流和高頻噪聲/紋波。大的波紋和不一致的紋波電流將導(dǎo)致閃爍的光線。

對于SMPS中廣泛使用的單個有源功率因數(shù)校正拓?fù)?，為了保持低諧波失真，功率反饋環(huán)路的響應(yīng)必須很慢。然而，這也會導(dǎo)致光閃爍，因此需要負(fù)反饋電路來消除這些信號。 SMPS的穩(wěn)定性取決于閉環(huán)增益和負(fù)反饋電路設(shè)計的相位裕度。

通過光電耦合器將運(yùn)算放大器反饋到功率因數(shù)校正電路，可以形成合適的負(fù)反饋電路，以控制MOSFET的導(dǎo)通時間，如下面的圖5所示。如果負(fù)載電流增加，MOSFET的導(dǎo)通時間將調(diào)整，以在整個操作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的輸出電壓。正如我們已經(jīng)指出的那樣，確保低調(diào)制深度和更高的調(diào)制頻率有助于最小化閃爍對人眼的感知效果。

圖5：電流更平滑 - SMPS的負(fù)反饋電路，由運(yùn)算放大器通過光耦合器反饋到功率因數(shù)校正電路，以控制MOSFET的導(dǎo)通時間。 （來源：Avago Technologies）。

在今天的照明市場中，由于上述舒適性和操作性原因，各種來源消除可見閃爍的壓力遠(yuǎn)高于隱形閃爍。因此，具有最小化閃爍的適當(dāng)設(shè)計的LED燈具是替代熒光燈以向消費(fèi)者提供更高質(zhì)量的照明體驗(yàn)的合適解決方案。

帶鎮(zhèn)流器的熒光燈管工作電源頻率的兩倍（通常為100 Hz或120 Hz）。然而，隨著這種燈老化，在一個電流方向上發(fā)生的閃光可能不等于在另一個方向上發(fā)生的閃光，因此燈可能在電源頻率下與驅(qū)動器部件明顯地閃爍。

Avago Technologies全球產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kee Yean Ng評論說：“我們的觀點(diǎn)是，如今設(shè)計精良的燈具閃爍不是問題。根據(jù)我們使用Avago燈具的經(jīng)驗(yàn)，我們沒有遇到任何有這個問題的客戶?！?/p>

圖6：Avago的Power LED光源1 W琥珀色，基于AlInGaP，是無閃爍燈具中的典型部件。

電源至關(guān)重要

Cree位于北卡羅來納州達(dá)勒姆的銷售開發(fā)經(jīng)理和合作伙伴計劃負(fù)責(zé)人David Cox認(rèn)為，閃爍和輸出變化的許多問題與LED設(shè)計本身沒什么關(guān)系。相反，問題可能在于到達(dá)燈的電流質(zhì)量。

“人們可以感知到的問題源于當(dāng)前的質(zhì)量和電源以及我們?nèi)绾螌⑻峁┙oLED的能量轉(zhuǎn)化為光，”考克斯說。 Cree的X-Lamp系列是一款優(yōu)秀的照明級LED，這意味著不僅僅是高功率輸出，這是一整套白色（和彩色）LED，可提供經(jīng)過驗(yàn)證的白點(diǎn)穩(wěn)定性，L70壽命高達(dá)50，000小時，至關(guān)重要的是，電隔離的熱路徑。

此系列專門設(shè)計用于確保照明應(yīng)用的一致輸出，如戶外照明，便攜式和個人照明，室內(nèi)筒燈，零售展示照明，建筑，交通甚至應(yīng)急車輛照明。

Cox引用了另一個使用示例，其中X-Lamp為Cree的家庭狀態(tài)中出色的客戶類型提供無閃爍性能：“我們的一位客戶生產(chǎn)了一種用于照明應(yīng)用的燈具。電影業(yè)和高速攝像機(jī)應(yīng)用中沒有明顯的閃爍?！?/p>

燈具開發(fā)人員需要使用專門為照明應(yīng)用設(shè)計的照明級或更高功率的LED，而不是任何非專門設(shè)計的高亮度LED照明設(shè)備中的照明應(yīng)用。提供LED的選擇是明智的，因?yàn)槿魏伍W爍都將與LED本身無關(guān)并且僅由電源和控制方法引起。

“Cree的功率LED專為照明而設(shè)計”，Cox說。 “它們是DC-in產(chǎn)品，但如果將它們連接到電源調(diào)節(jié)器，則可以連接到AC。所以實(shí)際上你正在調(diào)節(jié)電源以產(chǎn)生光。減少閃爍的另一個好方法是使用優(yōu)質(zhì)LED驅(qū)動器或非調(diào)光電源滑塊?！?/p>