LED可控硅調(diào)光原理及問題

1、LED可控硅調(diào)光原理及問題2010年11月10日 17:48 本站整理 作者：佚名 用戶評論（0） 關(guān)鍵字：LED(976)可控硅調(diào)光(3)1.前言如今，LED照明已成為一項主流技術(shù)。LED手電筒、交通信號燈和車燈比比皆是，各個國家正在推動用LED燈替換以主電源供電的住宅、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的白熾燈和熒光燈。換用高能效LED照明后，實現(xiàn)的能源節(jié)省量將會非常驚人。僅在中國，據(jù)政府*估計，如果三分之一的照明市場轉(zhuǎn)向LED產(chǎn)品，他們每年將會節(jié)省1億度的用電量，并可減少2900萬噸的二氧化碳排放量。然而，仍有一個障礙有待克服，那就是調(diào)光問題。白熾燈使用簡單、低成本的前沿可控硅調(diào)光器就可以很容易地實現(xiàn)調(diào)光

2、。因此，這種調(diào)光器隨處可見。固態(tài)照明替換燈要想真正獲得成功的話，就必須能夠使用現(xiàn)有的控制器和線路實現(xiàn)調(diào)光。白熾燈泡就非常適合進(jìn)行調(diào)光。具有諷刺意味的是，正是它們的低效率和隨之產(chǎn)生的高輸入電流，才是調(diào)光器工作良好的主要因素。白熾燈泡中燈絲的熱慣性還有助于掩蓋調(diào)光器所產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定或振蕩。在嘗試對LED燈進(jìn)行調(diào)光的過程中遇到了大量問題，常常會導(dǎo)致閃爍和其他意想不到的情況。要想弄清原因，首先有必要了解可控硅調(diào)光器的工作原理、LED燈技術(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。2.可控硅調(diào)光的原理圖1所示為典型的前沿可控硅調(diào)光器，以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形。 圖1 前沿可控硅調(diào)光器電位計R2調(diào)整可控硅(TRIAC

3、) 的相位角，當(dāng)VC2超過DIAC的擊穿電壓時，可控硅會在每個AC電壓前沿導(dǎo)通。當(dāng)可控硅電流降到其維持電流(IH)以下時，可控硅關(guān)斷，且必須等到C2 在下個半周期重新充電后才能再次導(dǎo)通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調(diào)光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0度(接近0度)到180度之間。3.LED調(diào)光存在的問題用于替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈通常包含一個LED陣列，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的亮度由其電流決定，LED的正向電壓降約為3.4 V，通常介于2.8 V到4.2 V之間。LED燈串應(yīng)當(dāng)由恒流電源提供驅(qū)動，必須對電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保相鄰LED燈之間具有

4、高匹配度。LED燈要想實現(xiàn)可調(diào)光，其電源必須能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出，以便對流向LED的恒流進(jìn)行單向調(diào)整。在維持調(diào)光器正常工作的同時做到這一點非常困難，往往會導(dǎo)致性能不佳。問題可以表現(xiàn)為啟動速度慢，閃爍、光照不均勻，或在調(diào)整光亮度時出現(xiàn)閃爍。此外，還存在元件間不一致以及LED燈發(fā)出不需要的音頻噪聲等問題。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷可控硅以及LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻?。誤觸發(fā)的根本原因是在可控硅導(dǎo)通時出現(xiàn)了電流振蕩。圖2以圖表形式對該影響進(jìn)行了說明。 圖2 發(fā)生在LED燈電源輸入級的可控硅電流與電壓振蕩可控硅導(dǎo)通時，AC市電電壓幾乎同時施加到LED燈電源的LC輸入濾

5、波器。施加到電感的電壓階躍會導(dǎo)致振蕩。如果調(diào)光器電流在振蕩期間低于可控硅電流，可控硅將停止導(dǎo)電?？煽毓栌|發(fā)電路充電，然后重新導(dǎo)通調(diào)光器。這種不規(guī)則的多次可控硅重啟動，可使LED燈產(chǎn)生不需要的音頻噪聲和閃爍。設(shè)計更為簡單的 EMI濾波器有助于降低此類不必要的振蕩。要想實現(xiàn)成功調(diào)光，輸入EMI濾波器電感和電容還必須盡可能地小。振蕩的最差條件表現(xiàn)為90 度相位角(這時，輸入電壓達(dá)到正弦波峰值，突然施加到LED燈的輸入端)，并且為高輸入電壓(這時，調(diào)光器的正向電流達(dá)到最低水平)。當(dāng)需要深度調(diào)光(比如相位角接近180度)且為低輸入電壓時，則會發(fā)生過早關(guān)斷。要可靠地調(diào)低光度，可控硅必須單調(diào)導(dǎo)通，并停留在A

6、C電壓幾乎降至零伏的點上。對于可控硅來說，維持導(dǎo)通所需的維持電流通常介于8 mA到40 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小，但對于功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說，該電流可降低到可控硅維持電流以下，導(dǎo)致可控硅過早關(guān)斷。這樣就會造成閃爍和/或限制可調(diào)光范圍。在設(shè)計LED照明電源時還有許多其他問題構(gòu)成挑戰(zhàn)。能源之星固態(tài)照明規(guī)范要求商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的最小功率因數(shù)必須達(dá)到0.9，照明產(chǎn)品必須滿足效率、輸出電流容差和EMI的嚴(yán)格要求，并且電源還必須在LED負(fù)載發(fā)生短路或開路的情況下作出安全響應(yīng)。4.LED調(diào)光實用方案Power Integrations (PI)最近所取得的技術(shù)進(jìn)展為如何解決L

7、ED驅(qū)動和可控硅的兼容性問題提供了參考范例。圖3是PI開發(fā)的可控硅調(diào)光的14 W LED驅(qū)動器的電路圖。 圖3 隔離式可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅(qū)動器的電路圖本設(shè)計采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG (U1)。LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動器IC同時集成了一個725 V功率MOSFET和一個連續(xù)導(dǎo)通模式初級側(cè)PWM控制器?？刂破骺蓪崿F(xiàn)單級主動功率因數(shù)校正(PFC)和恒流輸出。LinkSwitch-PH系列器件所采用的初級側(cè)控制技術(shù)可提供高精度恒流控制(性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的初級側(cè)控制技術(shù))，省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級側(cè)控制

8、電路)，同時控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容。LinkSwitch-PH系列器件可設(shè)置為調(diào)光或非調(diào)光模式。對于可控硅相位調(diào)光應(yīng)用，可在參考(REFERENCE)引腳上使用編程電阻(R4)和在電壓監(jiān)測(VOLTAGE MONITOR)引腳上使用4 M (R2+R3)電阻，使輸入電壓和輸出電流之間保持線性關(guān)系，從而擴大調(diào)光范圍。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。EMI特征降低后，使用較小的輸入EMI濾波器即可滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)?？墒∪ヒ粋€X電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH器件中內(nèi)置的高壓功率MOSFET開關(guān)頻率抖動功能還可進(jìn)

9、一步降低濾波要求。輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅(qū)動電路的電阻性阻抗隨之減小，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(jìn)一步增強穩(wěn)定性。對于可調(diào)光應(yīng)用，增加主動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。恒流控制允許有±25%的電壓擺幅，這樣就無需根據(jù)正向電壓降對LED進(jìn)行編碼，并且±5%的差異仍可確保一致的LED亮度。5.結(jié)束語這個14 W LED設(shè)計實現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)前沿可控硅AC調(diào)光器兼容、極寬調(diào)光范圍(1000:1，500 mA:0.5 mA)、高效率(> 85%)和高功率因數(shù)(

10、> 0.9)的目標(biāo)。它說明與LED燈可控硅調(diào)光相關(guān)的問題是可以克服的，甚至可以簡化驅(qū)動器設(shè)計，使可調(diào)光LED燈更具成本效益，且達(dá)到一致和可靠的性能。ICL8001G可控硅調(diào)光LED驅(qū)動電路與應(yīng)用 2011-08-30 12:01:02摘要： LED 照明具有發(fā)光效率高、節(jié)能等一系列優(yōu)點， 目前得到了廣泛的應(yīng)用。由于LED可控硅調(diào)光具有使用方便、便于實現(xiàn)和使用范圍廣等一系列優(yōu)點， 世界上一些半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)制造公司紛紛推出有關(guān)LED可控硅調(diào)光控制集成電路。下面介紹由英飛凌（ Infineon）公司新推出的LED 可控硅（ TRA IC）調(diào)光控制集成電路ICL8001G的工作原理與典型應(yīng)用

11、。1 LED照明與LED可控硅（ TRAIC）調(diào)光控制自從1968年第一批LED 開始進(jìn)入市場以來， 至今已有30多年。隨著新材料的開發(fā)和LED生產(chǎn)工藝的改進(jìn)， LED 趨于高亮度化和全色化。氮化鎵基底的藍(lán)色LED的出現(xiàn)， 更是擴展了LED 的應(yīng)用領(lǐng)域。LED的發(fā)光原理就是將電能轉(zhuǎn)換為光的過程， 將電流通過化合物半導(dǎo)體， 通過電子與空穴的結(jié)合， 過剩的能量將以光的形式釋出， 達(dá)到發(fā)光的效果。通過LED的正向電流越大則LED 的發(fā)光亮度越高， 同時，通過LED發(fā)光電流的穩(wěn)定性將影響LED 的發(fā)光穩(wěn)定性。因此， 在實用中應(yīng)采用可以提供精確穩(wěn)定電流的LED驅(qū)動恒流源來為LED 供電。LED 的調(diào)光可

12、以進(jìn)一步提高LED 的節(jié)能效果，而LED的可控硅（ TRAIC ）調(diào)光具有易于實現(xiàn)和使用方便等一系列優(yōu)點， 世界上一些大的半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)和制造公司紛紛推出了LED 可控硅（ TRAIC ）調(diào)光控制集成電路， 例如： 美國國家半導(dǎo)體公司（NS ）推出的LM3445、安森美公司（ Onsemi ） 推出的NCL30000、NXP公司推出的SSL2010T 和英飛凌（ Infineon）公司推出的ICL8001G 等可控硅（ TRAIC ）調(diào)光控制集成電路， PI公司也推出了基于PI產(chǎn)品的LED可控硅調(diào)光解決方案， 它們各具特色。下面介紹英飛凌（ In fineon） 公司推出的ICL8001G

13、 可控硅（ TRAIC ）調(diào)光控制集成電路的工作原理、特點和典型應(yīng)用電路。2 LED可控硅調(diào)光控制集成電路ICL8001G的特點ICL8001G是一款工作于準(zhǔn)諧振工作模式、用于離線LED照明應(yīng)用場合的控制集成電路， 特別適用于替代白熾燈照明應(yīng)用的LED可調(diào)光應(yīng)用場合， 精密的PWM 控制可確?？煽康赜糜谙辔徽{(diào)光控制的初級側(cè)控制電路結(jié)構(gòu)， 確保電路功率因數(shù)PF值> 98%, 可以顯著地改善電路工作效率， 使工作效率高達(dá)90%。相對別的電路解決方案， ICL8001G 的LED 供電工作電壓范圍寬（高達(dá)26 V ）、功耗低， 保護(hù)功能齊全， 使用ICL8001G構(gòu)成的LED 可控硅調(diào)光控制電

14、路具有性能優(yōu)和電路簡單的特點。ICL8001G為8引腳PG - DSO- 8封裝， 外形如圖1所示， ICL8001G 的內(nèi)部工作原理框圖如圖2所示。ICL8001G的主要技術(shù)特點如下：圖1 引腳圖（ PG - DSO- 8封裝） （俯視圖）圖2 內(nèi)部工作原理框圖1）在整個工作范圍內(nèi)具有高的工作效率和工作穩(wěn)定性；2）可用于可控硅前沿或后沿的調(diào)光控制應(yīng)用場合；3）用于初級側(cè)的PFC 和精密調(diào)光PWM 控制；4）用于VCC引腳外接電容的恒電流預(yù)充電控制單元電路；5）內(nèi)置數(shù)控軟啟動控制功能， 折返式控制和逐周期峰值電流控制；6） VCC 過/欠電壓鎖定輸出；7）輸出過電壓保護(hù)的可調(diào)節(jié)鎖定工作模式。（

15、1） ICL8001G 引腳功能（3）可控硅調(diào)光的典型應(yīng)用電路可控硅調(diào)光的電路實現(xiàn)有許多種， 可控硅調(diào)光的典型應(yīng)用電路如圖4所示， 在圖4所示電路中， 電位器1用于設(shè)定內(nèi)部失調(diào)， 電位器2用于外部控制， 在電位器1和電位器2的共同作用下， 阻值變化范圍為2. 7  到413 k。圖4 可控硅調(diào)光的典型應(yīng)用電路 4 采用ICL8001G的LED可控硅可調(diào)光典型應(yīng)用電路下面介紹采用ICL8001G 的LED 可控硅調(diào)光典型應(yīng)用電路評估電路板EVALLED 的特點與具體電路實現(xiàn)。（ 1）電路簡介ICL8001G 的評估電路板EVAL-LED 演示了ICL8001G控制集成電路在LED 可控

16、硅調(diào)光的應(yīng)用，ICL8001G為單級反激控制集成電路， 工作于準(zhǔn)諧振、初級側(cè)控制工作模式， 集成了APFC 和相控調(diào)光控制功能， 適用于LED可調(diào)光控制的應(yīng)用場合。（ 2） ICL8001G 的評估電路板EVAL-LEDICL8001G的評估電路板EVAL-LED 焊接電路元器件后的PCB 電路板圖俯視圖和仰視圖分別如圖5和圖6所示。圖5 EVAL-LED ICL8001G評估電路板的俯視圖圖6 EVAL-LED ICL8001G評估電路板的仰視圖（ 3）電路特點EVAL-LED ICL8001G 評估電路板的電路特點如下：1）在準(zhǔn)諧振工作模式下， 在整個寬的交流輸入市電電壓變化范圍內(nèi)具有穩(wěn)定

17、和高的工作效率；2）采用初級側(cè)反激控制， 具有APFC 功能和相控調(diào)光控制功能；3）在相控調(diào)光控制下電路保持高的工作效率；4）在ICL8001G 的內(nèi)部具有對VCC 引腳外接電容的恒電流充電控制功能；5） ICL8001G內(nèi)含數(shù)控軟啟動控制功能；6）具有折返式補償和逐周期峰值電流限制功能；7） VCC 引腳的過電壓和欠電壓鎖定輸出控制功能；8）短路保護(hù)后的自動再啟動；9）輸出過電壓保護(hù)的可調(diào)節(jié)鎖定關(guān)斷工作模式。     ICL8001G的引腳功能如表1所示。表1 ICL8001G的引腳功能（2） ICL8001G 的引腳功能簡介ZCV引腳： 過零檢測引腳， 來自輔

18、助繞組的電壓經(jīng)延時電路延時一段時間后加到該引腳， 通過內(nèi)部電路該引腳接到了過零檢測器電路， 用以決定外接功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間。同時， 通過比較VZC和內(nèi)部預(yù)設(shè)定的閾值電壓可以實現(xiàn)輸出過電壓檢測功能。VR引腳： 電壓檢測引腳， 通過該引腳檢測交流輸入市電整流后的輸出電壓， 利用這個檢測到的電壓可以設(shè)定峰值電流控制電路的峰值電流， 并完成APFC 和相控調(diào)光控制功能。CS引腳： 電流檢測引腳， 該引腳接至一只用于決定初級側(cè)電流檢測的電流檢測電阻， 并和反饋電壓一起用于決定PWM 控制信號發(fā)生器的脈沖關(guān)斷時間， 并且在主電源開關(guān)管導(dǎo)通時間內(nèi)通過檢測電壓VCS的電壓來實現(xiàn)短路繞組的檢測功能。GD引腳：

19、 柵極驅(qū)動輸出引腳， 該引腳輸出信號用于驅(qū)動外接功率開關(guān)MOSFET管。HV 引腳： 高電壓輸入引腳， 該引腳連接至外部總線電壓， 并通過外接總線電壓為接至集成電路VCC引腳的電容充電。VCC 引腳： 集成電路的電源供電引腳， 供電電壓范圍為VV CCoff VVCCOVP。GND引腳： 集成電路的地引腳。（3） ICL8001G 的電路保護(hù)ICL8001G具有如表2所示的保護(hù)功能。表2 保護(hù)特性3 調(diào)光器的分類與工作原理（ 1）調(diào)光器的分類調(diào)光器按實現(xiàn)方式可以分為前切式及后切式相位調(diào)光， 前切式及后切式相位調(diào)光輸出的電壓波形如圖3所示， 前切式相位調(diào)光又叫可控硅前沿相位調(diào)光或可控硅調(diào)光。而后

20、切式相位調(diào)光又叫后沿調(diào)光或晶體管調(diào)光。前切式相位調(diào)光的調(diào)光控制交流輸入市電的前沿變化較劇烈， 而后沿調(diào)光的調(diào)光控制交流輸入市電的后沿變化較平緩， 這可從圖3 所示波形看出。相控調(diào)光器分類和特點如表3所示。表3 相控調(diào)光器分類和特點（ 2）相控調(diào)光器的工作原理如圖3波形所示， 通過改變調(diào)光控制相控角的位置就可以改變輸出交流電的平均值， 達(dá)到改變輸出功率的目的， 從而達(dá)到調(diào)光控制目的。但是， 相控調(diào)光器的交流輸出電壓波形已嚴(yán)重偏離正弦波形， 所以功率因數(shù)也嚴(yán)重小于1, 這也是相控調(diào)光的一個缺點， 相比較而言， 后切式相位調(diào)光的波形失真較前切式相位調(diào)光的波形失真要小些。圖3 前切式及后切式相位調(diào)光輸出的電壓波形 （ 4）技術(shù)指標(biāo)表4給出了EVALLEDICL8001G 評估電路板的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)， 表4中輸入電壓表示未經(jīng)相控調(diào)光的交流輸入電壓有效值（ RMS） , 輸出電壓表示在給定的交流市電輸入電壓變化范