- 探討LED照明應(yīng)用的無(wú)閃爍調(diào)光實(shí)現(xiàn)
- 采用隔離式設(shè)計(jì)和非隔離式設(shè)計(jì)
- 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(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。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(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)"P-N結(jié)".當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)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(zhǎng)決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。 該項(xiàng)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(tái)。嚴(yán)格的效率要求已存在相當(dāng)一段時(shí)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(méi)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?yàn)榇蠹矣玫亩际悄菐准覈?guó)外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百M(fèi)CD,如果是15度角的亮度就要去到一萬(wàn)多兩萬(wàn)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(gè)功率有1W,3W,5W,還有的是用多個(gè)大功率組合成一個(gè)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?yàn)楦吖β室驍?shù)可降低配電網(wǎng)絡(luò)的損耗。降低電力使用對(duì)環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費(fèi)，因此世界各地的監(jiān)管機(jī)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(gè)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(duì)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(dòng)電路，實(shí)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聪蚪刂埂舸┨匦浴４送猓谝欢l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(duì)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(zhǎng)壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢褂脡勖蛇_(dá)6萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上。
調(diào)光控制器
照明控制器以線路調(diào)光或次級(jí)側(cè)調(diào)光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)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(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問(wèn)題。靈活的可編程控制功能可以控制降壓限壓幅度，開(kāi)關(guān)燈時(shí)間任意設(shè)定。控制模式有時(shí)控，光控，手動(dòng)控制，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制及根據(jù)使用地點(diǎn)的經(jīng)緯度自動(dòng)控制。軟啟動(dòng)，軟過(guò)渡，軟關(guān)閉功能，防止過(guò)電壓及冷啟動(dòng)大電流對(duì)燈具的沖擊，大幅度減少燈具的損毀率。對(duì)鈉燈，汞燈等燈具設(shè)有可調(diào)的全壓預(yù)熱啟動(dòng)時(shí)間，燈具能更充分的預(yù)熱，平穩(wěn)過(guò)渡到正常工作狀態(tài)。能實(shí)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(dòng)功能，當(dāng)負(fù)載故障，外部供電故障結(jié)束后，能自動(dòng)重新點(diǎn)燃燈具。控制方式有時(shí)控，光控，手動(dòng)控制，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制及根據(jù)使用地點(diǎn)的經(jīng)緯度自動(dòng)控制（選件）。三相開(kāi)關(guān)燈時(shí)間及輸出電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，可接不平衡及不同類型的負(fù)載。可編程的檢修模式，便于照明系統(tǒng)檢修，維護(hù)和燈具更換。預(yù)留一組受時(shí)鐘控制的常開(kāi)接點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)特殊控制。接點(diǎn)容量為7A/250VAC.
可控硅控制器在白熾燈中的表現(xiàn)無(wú)可挑剔，但在LED燈中會(huì)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(dòng)。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(guò)改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燈泡燈絲中的電流與調(diào)光信號(hào)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(dòng)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(dòng)白熾燈時(shí)，維持電流不是問(wèn)題。
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對(duì)可控硅控制器來(lái)說(shuō)，白熾燈的阻抗非常低，因此不會(huì)出現(xiàn)振蕩。相反，LED驅(qū)動(dòng)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(gè)半周期，當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)就會(huì)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(shí)，R1和R2對(duì)DIAC（圖2）重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導(dǎo)通TRIAC,重新開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。結(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)多次重啟動(dòng)可控硅（圖4）。
圖4:可控硅因振蕩多次重啟動(dòng)。
為避免出現(xiàn)與可控硅調(diào)光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅(qū)動(dòng)器必須滿足LED負(fù)載非常不同的要求，同時(shí)還得與專為白熾燈設(shè)計(jì)的調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)兼容。用于替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈通常包含多個(gè)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(shí)現(xiàn)可調(diào)光，其電源必須檢測(cè)可控硅控制器的可變相位角輸出，并利用該信息來(lái)改變LED的恒流驅(qū)動(dòng)。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(dòng)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(jiàn)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(chǎng)發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可超過(guò)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(duì)比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W,壽命小于2000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W,壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96lm/W,壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過(guò)150lm/W,壽命可大于100000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。
LED驅(qū)動(dòng)器控制
很顯然，LED驅(qū)動(dòng)器采用標(biāo)準(zhǔn)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是絕對(duì)不行的，必須使用專用的LED驅(qū)動(dòng)器。圖5和圖6可以說(shuō)明這一點(diǎn)。
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(jì)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(guò)光耦器向控制器提供反饋信號(hào)。TOPSwitch-HX控制器在輸入C處收到電壓反饋信號(hào)后，會(huì)調(diào)整集成高壓功率MOSFET開(kāi)關(guān)的占空比，以維持要求的輸出。
可以對(duì)電路進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅(qū)動(dòng)LED燈。但是，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可控硅相位角檢測(cè)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(jì)的反激式電源。LinkSwitch-PH控制器集成了多項(xiàng)專用于驅(qū)動(dòng)LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，它采用了初級(jí)側(cè)調(diào)整。這樣可省去光耦器和次級(jí)側(cè)控制電路。變壓器上的次級(jí)側(cè)繞組（偏置繞組）具有兩種功能：通過(guò)BP引腳為L(zhǎng)inkSwitch-PH供電，通過(guò)FB引腳提供電流反饋。這兩個(gè)次級(jí)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(jì)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(gè)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(duì)每個(gè)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(guò)零點(diǎn)時(shí)，瞬態(tài)輸入電壓較低，占空比較大。在整流AC輸入峰值點(diǎn)時(shí)，電壓達(dá)到最大值，占空比最小。對(duì)于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，MOSFET電流在每個(gè)周期內(nèi)被積分，以得到一個(gè)電荷量。將每個(gè)周期的電荷量與參考值進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)數(shù)值相等時(shí)就停止開(kāi)關(guān)。
調(diào)光控制
LinkSwitch-PH可通過(guò)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(guò)零點(diǎn)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(lái)設(shè)計(jì)這樣的高性能LED驅(qū)動(dòng)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(shí)無(wú)任何閃爍現(xiàn)象。圖8中的電路圖說(shuō)明了這是如何實(shí)現(xiàn)的。
圖8:7 W可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器電路圖。
圖9:輸入相位對(duì)應(yīng)于輸出電流的變化。
實(shí)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(gè)小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個(gè)特性有助于簡(jiǎn)化輸入濾波，它們是連續(xù)導(dǎo)通模式和頻率抖動(dòng)。連續(xù)導(dǎo)通模式具有兩大優(yōu)勢(shì)：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(lái)滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。可省去一個(gè)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(dòng)應(yīng)用到高壓功率MOSFET的開(kāi)關(guān)。
輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅(qū)動(dòng)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(qiáng)穩(wěn)定性。為確保與所有類型的調(diào)光器控制實(shí)現(xiàn)兼容，本設(shè)計(jì)添加了兩個(gè)簡(jiǎn)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(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流。在115 VAC下，當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，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(shí)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(wú)任何閃爍。
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非隔離式LED驅(qū)動(dòng)器
圖8中的電路采用了隔離式設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能為驅(qū)動(dòng)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(jì)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器與LED燈同時(shí)集成在同一外殼中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設(shè)計(jì)和非隔離式設(shè)計(jì)。采用非隔離式設(shè)計(jì)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(jí)功率因數(shù)校正和恒流控制，同時(shí)集成了一個(gè)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(jì)的5 W可調(diào)光的功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(dòng)時(shí)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(dòng)器集成在A19 LED替換燈中（電路板從殼體中去除）。
在設(shè)計(jì)中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設(shè)定點(diǎn)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(guò)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(shí)，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(shí)間的25%時(shí)（？OS），開(kāi)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(kāi)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(lái)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(dòng)和相位角檢測(cè)，那么設(shè)計(jì)出的隔離式及非隔離式LED驅(qū)動(dòng)器就能與所有類型的調(diào)光控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。此外，還能使電路滿足所有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的效率、功率因數(shù)、諧波和EMI要求。過(guò)去，白熾燈泡必須針對(duì)特定的電源電壓進(jìn)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。
