兩種實現(xiàn)高效調光的方案

中心議題：
探討兩種實現(xiàn)高效調光的方案
解決方案：
采用多級轉換器的LED調光
采用TRIAC調光器

到目前為止，切相調光器的應用相當廣泛，很顯然，能夠有效調光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢。由于市場上還有許多基于三端雙向可控硅開關的低成本調光器，因此保證LED驅動器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實的，特別是許多調光器僅采用基本設計，性能十分有限。

在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應用中，越來越多的應用中采用LED照明，并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢。在這些應用中，大功率LED會取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應用需要一個LED驅動器，其典型功率范圍為25W至150W。在許多情況中，LED負載都由一個的高亮度白光LED陣列組成，通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅動這些負載的DC電流通常至少為1安培。實際也有AC電流驅動的LED系統(tǒng)，但是一般認為DC系統(tǒng)可以為LED提供更理想的驅動條件。

在LED照明設備中需要進行電流隔離，以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險，這種危險在大多數情況下都可能發(fā)生，除非采用一個絕緣的機械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設備等不需要通過絕緣來實現(xiàn)安全性的產品不同，LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實現(xiàn)良好的熱傳導性，需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障，這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此，在LED驅動器內部形成絕緣就是最佳選擇，同時也說明了電源轉換器拓樸技術是可行的。

兩種可能方案分別是反激式轉換器或包括一個PFC級的多級轉換器，然后是絕緣和降壓級，最后是后端電流調整級。兩種方案之中，反激式因其相對簡易且成本較低，應用比較廣泛。

反激式轉換器為許多應用提供了良好的解決方案（圖1），然而，它卻具有如下的局限性：有限的功率因數校正能力；在寬輸入電壓范圍上效率有限；兩倍線頻（150Hz））時的輸出紋波很難消除；需要通過附加電路進行調光。

圖1：采用反激式轉換器的LED調光。

盡管多級設計（圖2）的額外成本限制了其在高端產品中的應用，但這種設計卻可以克服其中的一些問題。在較寬的AC輸出電壓范圍內，其可以實現(xiàn)高功率因數和較低的總諧波失真（THD），從而使相同的LED驅動器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主電源供電。

圖2：采用多級轉換器的LED調光。

能夠在很寬的范圍上保持高效率，而不是使效率在一個特定線負載點上達到峰值，但在不同的條件下卻又大幅下降。同時，它也更易于降低150Hz下的紋波輸出，多級系統(tǒng)使其自身能夠更加高效的采用不同的調光方式。

前端部分包括一個升壓轉換器，配置采用一個功率因數校正做預調節(jié)，在輸出端提供一個高壓DC總線，在電壓或負載的各種變化范圍上，將其穩(wěn)定到一個固定的電壓。由于穩(wěn)壓控制回路響應很慢，使得AC線頻率的許多周期都會受到負載變化的影響，它只吸收了一個基本的正弦線輸入電流。這個電路典型一般工作在臨界導通模式，否則就被認為是轉換模式。在這種模式中，PWM關斷周期和由此形成的開關頻率是可變的，所以，當存儲在升壓電感器中的所有能量傳輸到輸出端時，新的開關周期才開始。這種共振工作模式被廣泛應用，而且由于它的開關損耗最小，從而實現(xiàn)了高效率。在指定的功率范圍內使用這種設計是最佳方式。

中間級將高壓DC總線電壓（典型值在475V左右）轉換成為適用于驅動LED負載的低壓輸出。基于安全方面的考慮，LED負載通常采用低壓驅動，因此驅動電路通常最小值為1安培。通過這種方式，變壓器初級可以看到一個正負電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭，這樣兩個二極管整流器即可用于將輸出電流轉換到DC。其中輸出電流高到可以用MOSFET取代整流二極管，從而作為同步整流系統(tǒng)的方式運行。在采用3安培電流的典型應用中，在30度的環(huán)境溫度下，同步MOSFET的表面溫度比采用相同封裝的肖特基二極管的溫度更低。

我們可以看出，隨著電流要求的增長，同步整流的熱優(yōu)勢就變得更為顯著。最后，還需要一個平滑電容，以產生絕緣的低紋波DC電壓。這個電容的容值為數十法拉的級別，因此要采用陶瓷電容器。

為了使半橋級效率更高，在設計中，應該使其工作在諧振模式，其中MOSFET在零電壓（ZVS）條件下開關。要實現(xiàn)這一點就必須保證一個MOSFET關斷而另一個MOSFET開啟之間有一個短時延，并且在這段時延電壓從一個軌整流換向到另一條軌的中間點。這是因為電感器中能量的釋放并通過MOSFET中的體二極管進行傳導。

LED驅動器的后端級包括帶有短路保護功能的電流調制電路。這可以通過一個線性調制電路來實現(xiàn)，但僅采用這種方式還不夠，它只適用于低輸出電流，不可用于多級系統(tǒng)。備選方案是一個簡單的降壓穩(wěn)壓器電路，利用電流反饋來限制每個超過目標LED驅動電流的輸出電流。這樣可以補償在溫度和器件容差帶來的總的LED正向電壓的變化，同時也限制了短路或其它故障情況下的電流，保護驅動器不受損傷。

在多個輸出級都與由前一級供電的單獨的隔離DC電壓相連接時，也可以采用多級通道的方式。因為在這樣的設計中，一個通道出現(xiàn)輸出短路不會妨礙其它通道的正常運行。而且，這還允許將幾個通道的調制電流提供給不同的LED陣列，并且省去了對于連接平行LED陣列的需要。眾所周知，如果LED不能在相近的溫度條件下有相似的正向壓降，那么并行連接LED將會出現(xiàn)問題，這時采用帶有多個獨立輸出的驅動器的優(yōu)勢就顯而易見了。

TRIAC調光器的缺點：

現(xiàn)有的大多數調光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一個非常簡單的基于三端雙向可控硅開關的電路。這些調光器最初設計只是與作為電阻負載的白熾燈一起使用。

三端雙向可控硅開關器件是一個半導體開關，它只有當給其第三個門極加脈沖使其觸發(fā)之后，其兩個主要端子之間可以任何一個方向傳導電流。這個脈沖可以具有任意一個極性，因此易于通過一個基本的RC計時電路進行創(chuàng)建。其工作原理包括：在AC線周期的一個點上觸發(fā)三端雙向可控硅開關，這樣它將一直導通到周期的結束，周期結束時線性電壓降為零，接著流經三端雙向可控硅開關電流也將為零，三端雙向可控硅開關會再次關閉。三端雙向可控硅開關器件具有最小的額定保持電流，低于這個電流，開關將關閉。調節(jié)電路中的電位器控制調節(jié)器電路中三端雙向可控硅開關的開通點，并且通過實現(xiàn)調光改變整體的平均AC電流。

然而，即使它們包括一個功率因數校正前端，LED轉換器和其它電源或電子鎮(zhèn)流器也不會成為調光器的純電阻負載。當調光水平被降低時，調光器中的三端雙向可控硅開關可能會不規(guī)律被激發(fā)或錯過開關周期。無需將降壓變壓器的初級側中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點，電流即可以通過一個DC分隔電容器流回到線輸入。這就在AC線循環(huán)結束前，提供了少量的額外電流，這些電流將使三端雙向可控硅開關處于開啟狀態(tài)，并使其在所要求的調光范圍內運行。這一解決方案通過利用那些將被浪費的電流，通過基于三端雙向可控硅開關的調光器幫助調光。（圖3）

圖3：前端和帶有調光電荷泵的半橋。

利用這種方式調光是切實可行的，因為隨著調光級別的降低，前端級的輸出總線電壓也在降低。通過這種方式，實現(xiàn)了LED的線性調光，由此滿足了更為復雜的PWM調光電路的要求并避免了可能的專利侵權。盡管調光器兼容性需要損失一定的效率，但多級配置仍是更高性能LED驅動器設計的絕佳選擇。