數(shù)字電源技術(shù)在LED照明方面的應(yīng)用

引言

led照明以其發(fā)光效率高，使用壽命長(zhǎng)，亮度控制簡(jiǎn)單和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，迅速受到廣大用戶的歡迎。作為新型的節(jié)能光源，LED燈具會(huì)逐步地取代傳統(tǒng)的白熾燈泡。LED照明的不斷普及對(duì)調(diào)光和控制技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。當(dāng)前用戶主要關(guān)心的是，LED燈具必須要使用安全、重量輕、壽命長(zhǎng)、不影響用戶健康，并可適用于現(xiàn)有的調(diào)光設(shè)備以及可以承受的價(jià)格。

數(shù)字電源技術(shù)突破傳統(tǒng)方案的局限性，可以對(duì)用戶的要求進(jìn)行整合和優(yōu)化，為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)和調(diào)光控制提供一個(gè)完整的解決方案。本文針對(duì)LED燈的具體設(shè)計(jì)問題來(lái)討論數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和解決問題的方法。

1 LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

高效率無(wú)光耦轉(zhuǎn)換 LED的驅(qū)動(dòng)電路把能量從交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為本身發(fā)光所需的直流形式。能量在轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)有損耗。轉(zhuǎn)換效率越高，損耗越小，對(duì)驅(qū)動(dòng)部分散熱的要求也越低。絕大多數(shù)LED燈采用灌膠和鋁散熱器來(lái)解決散熱問題。對(duì)用戶而言，高效率的驅(qū)動(dòng)方案可以降低驅(qū)動(dòng)電路的散熱成本，減輕LED燈的重量。降低電路溫升還有利于提高LED燈的使用壽命。傳統(tǒng)的隔離驅(qū)動(dòng)方案利用光耦傳遞二次側(cè)的電流信號(hào)給一次側(cè)控制器來(lái)維持穩(wěn)定的輸出電流。二次側(cè)檢測(cè)電路增加了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性、成本和損耗。光耦的使用還降低了可靠性。因此，主流的LED燈生產(chǎn)廠家都開始采用無(wú)光耦的原邊反饋技術(shù)。當(dāng)前，數(shù)字原邊反饋技術(shù)已經(jīng)成熟并且得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)光耦反饋的輸出電流的精確控制。利用變壓器反饋波形，數(shù)字技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)波谷開通來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率。

1.1 無(wú)光耦精確電流控制

圖1(a)顯示一個(gè)原邊反饋的反激變換器。一次側(cè)和二次側(cè)的電流波形顯示在圖1(b)中。平均輸出電流Iout=1/2XXXX,這里Isp是變壓器副邊繞組的峰值輸出電流;Trst是變壓器磁恢復(fù)時(shí)間;Tprd是開關(guān)周期。在理想情況下，原邊峰值電流Ipp=XXXX，其中Np和Ns是原邊和副邊繞組匝數(shù)。因此，輸出電流Iout=XXXXXX。現(xiàn)在假定Iset是設(shè)計(jì)輸出電流，數(shù)字控制器可以通過控制原邊峰值電流Ipp=XXXXX來(lái)獲得所需的輸出電流。

1.2 波谷開通控制

波谷開通的主要目的是獲得高效率。圖2是MOSFET 關(guān)斷以后耦合到變壓器輔助繞組上的電壓波形。如圖2 所示，變壓器在T1時(shí)間點(diǎn)完成磁恢復(fù)。然后磁化電感和MOSFET漏級(jí)雜散電容開始諧振。如果MOSFET 的開通正好處在漏源電壓諧振的谷底T3，就可以達(dá)到最低開關(guān)損耗。同時(shí)電磁干擾的減小有利于提高輸入濾波器的效率。利用數(shù)字技術(shù)對(duì)輔助繞組上的電壓波形作分析，可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)波谷開通的功能。

1.3 低電流紋波設(shè)計(jì)

LED照明不僅需要精確和穩(wěn)定的電流，還要求電流的紋波非常低?？茖W(xué)家研究表明，低于165Hz的閃爍，不管來(lái)自可見光還是不可見光，都有可能引起偏頭痛或者視覺不適。低于70Hz的閃爍甚至?xí)?duì)少部分人引發(fā)癲癇。因此， 美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)正在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)引導(dǎo)對(duì)人體健康無(wú)危害的LED 照明驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

一個(gè)輸入呈阻性的電源系統(tǒng)內(nèi)部一定要存在儲(chǔ)能元件，當(dāng)輸入電壓低的時(shí)候可以提供能量給負(fù)載。如果能量進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換又要求輸入呈阻性，其需要非常大的輸出電容來(lái)降低負(fù)載的電流紋波。如果能量進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換可以解決這個(gè)問題。通常的二次轉(zhuǎn)換形式是結(jié)合Boost 輸入級(jí)和反激式輸出級(jí)。輸入級(jí)主要控制驅(qū)動(dòng)電源的輸入阻抗。反激式電源提供低紋波輸出電流。二次轉(zhuǎn)換控制的復(fù)雜性很高。特別是當(dāng)接入調(diào)關(guān)器的時(shí)候還需要協(xié)調(diào)輸入級(jí)和輸出級(jí)的能量平衡。圖3是常用的二次轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的二次轉(zhuǎn)換控制方案需要同時(shí)得到輸入電壓Vin、Boost 電流IL、中間電容上的電壓Vbulk、反激式原邊電流Ip以及電壓的反饋Vout，控制成本很高，因此很難得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字控制技術(shù)提供了簡(jiǎn)單的一次側(cè)反饋方法，還可以預(yù)測(cè)中間電容電壓，因此只需要檢測(cè)輸入電壓Vin 并解析變壓器反饋信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)完整的二次轉(zhuǎn)換控制。大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制成本。

全面的驅(qū)動(dòng)保護(hù) 在LED 燈具的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和使用的過程中，驅(qū)動(dòng)電源有可能面對(duì)LED 負(fù)載的短路、開路，驅(qū)動(dòng)電源板的短路、虛焊，接插件的錯(cuò)接、反接等等問題。全面的驅(qū)動(dòng)保護(hù)可以簡(jiǎn)化LED 燈具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出精確判斷是數(shù)字控制的一個(gè)長(zhǎng)處。數(shù)字控制可以快速地實(shí)現(xiàn)

* LED 負(fù)載的開路保護(hù)

* LED 負(fù)載的短路保護(hù)

* LED 負(fù)載的過熱保護(hù)

* LED 燈的限功率控制

* 控制器的各管腳的開路和短路保護(hù)