LED照明應用的無閃爍調(diào)光實現(xiàn)方案

1、LED照明應用的無閃爍調(diào)光實現(xiàn)方案如今，LED照明已確然成為一項主流技術。該項技術正日臻成熟，標志之一就是大量LED照明標準和規(guī)范的陸續(xù)出臺。嚴格的效率要求已存在相當一段時間了，今后仍將不斷提高。但近段時間，LED照明設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)絡的損耗。降低電力使用對環(huán)境所

2、造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監(jiān)管機構都在進一步嚴格他們的功率因數(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)應大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應大于0.9。圖1:LED燈泡構造圖。LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，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

3、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)?？煽毓杩刂破髟诎谉霟糁械谋憩F(xiàn)無可挑剔，但在LED燈中會產(chǎn)生各種負面效應，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，相位角的變化范圍介于0°(接近0°)到180°之間。可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為

4、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，當可控硅導通時就會出現(xiàn)浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導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。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控硅將關斷(圖3)。圖3:輸入EM濾波器引起的電

5、流振蕩。當可控硅關斷時，R1和R2對DIAC(圖2)重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導通TRIAC，重新開始下一開關周期。結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計的調(diào)光電路實現(xiàn)兼容。用于替換標準白熾燈的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

6、提供驅(qū)動，因此必須對電流進行嚴格控制，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)動器采用標準反激式拓撲結構是絕對不行的，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的標準反激式電路。圖5所示為使用 Power Integrations (PI)的TOPSwitch?-HX控制器設計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由

7、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?？梢詫﹄娐愤M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

8、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?？刂破髟贔B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。該電路設計可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作?？刂破麟S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

9、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，當兩個數(shù)值相等時就停止開關。V引腳輸入設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的編程電阻設置為調(diào)光模式，也可設置為非調(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置輸出電流水平，從而提供調(diào)光功能。LinkSwitch-PH可用來設計這樣的高性能LED驅(qū)動器：可在全輸入電壓范圍內(nèi)工

10、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:輸入相位對應于輸出電流的變化。實現(xiàn)一致調(diào)

11、光性能的關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)導通模式和頻率抖動。連續(xù)導通模式具有兩大優(yōu)勢：降低導通損耗(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標準的要求。可省去一個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用到高壓功率MOSFET的開關。這樣可擴展開關頻率的范圍，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

12、，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)光器導通時所產(chǎn)生的浪涌電流。在115 VAC下，當可控硅導通時，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，當對LED負載施加極低電流時，使可控硅電

13、流始終大于維持電流閾值，從而防止可控硅過早關斷。 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計。該設計能為驅(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)常用的設計。對于驅(qū)動器與LED燈同時集成在同一外殼中的應用來說，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設計和非隔離式設計。采用非隔離式設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

14、725 V MOSFET，非常適合非隔離應用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG (Ref2)設計的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構框即可用于非調(diào)光應用。本設計是低成本、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

15、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)。在設計中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設定點由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)光器的導通角按比例進行變化。當導通角減小時，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之間存在線性關系。在?OL之后，可控硅導通角變得非常小，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。本設計中集成