LED：無閃爍調(diào)光

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。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) 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AC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LED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。控制器可實現(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 MΩ (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(kuò)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)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)(> 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。