- 探討LED照明應(yīng)用的無閃爍調(diào)光實現(xiàn)
- 采用隔離式設(shè)計和非隔離式設(shè)計
- 采用的控制器既能執(zhí)行功率因數(shù)校正
LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個"P-N結(jié)".當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。 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。
LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關(guān)系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質(zhì)量好的LED不管是哪家LED廠家生產(chǎn)的大家的亮度都差不多的，只是生產(chǎn)工藝不一樣，使用壽命略有不同，因為大家用的都是那幾家國外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個功率有1W,3W,5W,還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED,功率去到幾百都有。
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(jìn)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(dá)到0.9以上。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。有人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢褂脡勖蛇_(dá)6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。
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(jìn)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(jìn)行調(diào)光時會產(chǎn)生大量問題。靈活的可編程控制功能可以控制降壓限壓幅度，開關(guān)燈時間任意設(shè)定?？刂颇Ｊ接袝r控，光控，手動控制，上位機遠(yuǎn)程控制及根據(jù)使用地點的經(jīng)緯度自動控制。軟啟動，軟過渡，軟關(guān)閉功能，防止過電壓及冷啟動大電流對燈具的沖擊，大幅度減少燈具的損毀率。對鈉燈，汞燈等燈具設(shè)有可調(diào)的全壓預(yù)熱啟動時間，燈具能更充分的預(yù)熱，平穩(wěn)過渡到正常工作狀態(tài)。能實現(xiàn)全夜燈及半夜燈控制，且有后半夜再降壓調(diào)流功能，節(jié)能效果更加理想。完善的再起動功能，當(dāng)負(fù)載故障，外部供電故障結(jié)束后，能自動重新點燃燈具。控制方式有時控，光控，手動控制，上位機遠(yuǎn)程控制及根據(jù)使用地點的經(jīng)緯度自動控制（選件）。三相開關(guān)燈時間及輸出電壓可獨立調(diào)節(jié)，可接不平衡及不同類型的負(fù)載?？删幊痰臋z修模式，便于照明系統(tǒng)檢修，維護(hù)和燈具更換。預(yù)留一組受時鐘控制的常開接點以實現(xiàn)特殊控制。接點容量為7A/250VAC.
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(fù)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。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(fù)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。
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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(dá)到最大值。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(fù)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。
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(dá)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（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進(jìn)行對比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W,壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W,壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W,壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm/W,壽命可大于100000小時。有人還預(yù)測，未來的LED壽命上限將無窮大。
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?fù)浣Y(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。
可以對電路進(jìn)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(fù)載的反激式電源。
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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(fù)載的電流成比例。
該電路設(shè)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(jìn)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(dá)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(jìn)行比較，當(dāng)兩個數(shù)值相等時就停止開關(guān)。
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(dá)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)。
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(jìn)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。
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。
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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(hù)。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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。
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(jìn)行制造?，F(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。
