技術(shù)分享：如何設(shè)計(jì)可調(diào)光LED燈

　　多年來，制造商不斷向市場推出LED燈，其最終目標(biāo)是要用來取代白熾燈和緊湊型熒光燈（CFL）。這些燈泡設(shè)計(jì)的演變經(jīng)歷了從非常簡單的不可調(diào)光方案，到高級但昂貴的可調(diào)光方案，再到性價(jià)比更高的可調(diào)光方案。

　　許多LED燈都宣稱可調(diào)光，但實(shí)際上，很多LED燈的性能并不十分理想，且由于所使用的調(diào)光器和電路負(fù)載不同而性能各異。有時(shí)，將LED燈安裝在設(shè)有調(diào)光器的室內(nèi)后，LED燈會出現(xiàn)閃爍且無法均衡調(diào)整光亮度的情況。

　　這些缺陷是由于現(xiàn)階段美國使用的大部分調(diào)光器都是基于雙向晶閘管（TRIAC）二線前沿切相電路的，這些電路開發(fā)于20世紀(jì)60年代，適用于電阻式白熾燈。TRIAC是一種雙向半導(dǎo)體電源開關(guān)，由可變定時(shí)電路生成的脈沖觸發(fā)，并在傳導(dǎo)電流高于保持電流時(shí)維持導(dǎo)通。調(diào)光器電路的種類有很多，使用了不同特性的器件以及不同的控制電路和濾波元件。

　　LED燈的驅(qū)動(dòng)器電路將交流輸入電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電源，并維持一個(gè)穩(wěn)定電流，驅(qū)動(dòng)高亮度LED負(fù)載獲得恒定光輸出。要想通過基于雙向晶閘管的調(diào)光器來調(diào)節(jié)基本的LED驅(qū)動(dòng)器電路，就必須額外添加一些元器件來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)光器運(yùn)行，并根據(jù)調(diào)光器相位角來調(diào)節(jié)輸出電流。

　　由于調(diào)光器差異較大，所連接的LED調(diào)光電路性能也有所不同。由于現(xiàn)在還未出臺明確標(biāo)準(zhǔn)來劃分帶有調(diào)光器的LED燈泡的性能，使這一問題變得更加復(fù)雜。至多會有一些燈泡制造商提供調(diào)光器列表，列明他們認(rèn)為可與其產(chǎn)品兼容的調(diào)光器。

　　在美國能源部（DoE）的支持下，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）正著手制定適用于由切相調(diào)光器驅(qū)動(dòng)的LED燈的調(diào)光標(biāo)準(zhǔn)，包括決定是否達(dá)到可接受性能的測試程序及指標(biāo)。希望這一標(biāo)準(zhǔn)最終能夠幫助清理掉市場上那些聲明可調(diào)光，但性能遠(yuǎn)未達(dá)到終端用戶所期待的柔和、穩(wěn)定如白熾調(diào)光預(yù)期的產(chǎn)品。

　　大部分LED燈泡使用的驅(qū)動(dòng)電路都包含降壓、升降壓或反激式轉(zhuǎn)換器。在各種情況下，都可通過修改基本電路來實(shí)現(xiàn)可接受的調(diào)光性能，同時(shí)不會增加器件的成本和復(fù)雜性。這樣就可以提升可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的性能，進(jìn)而滿足消費(fèi)照明市場的成本節(jié)約要求。

　　兼容性的問題在于TRIAC調(diào)光器電路如何與LED驅(qū)動(dòng)器輸入電路進(jìn)行交互。

　　單級LED驅(qū)動(dòng)器示例電路（圖2）取代了圖1中代表白熾燈的電阻性負(fù)載。盡管這一電路由于在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的高功率因數(shù)模擬了電阻性負(fù)載，但其前端也包括了EMI濾波所必需的電容器。此外，LED燈泡所消耗的功率比同等白熾燈的25%還要少。結(jié)果就是，在TRIAC觸發(fā)前，調(diào)光器在交流線路半周期中主要承受電容性負(fù)載。

　　圖1：典型的調(diào)光器原理圖

　　圖2：基本的LED驅(qū)動(dòng)器電路框圖

　　圖1所示的雙向觸發(fā)電路若想要按照設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行，還需要一條電阻性路徑至中性點(diǎn)。如果改為電容性負(fù)載，這一電路將無法正常運(yùn)行，并導(dǎo)致周期轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定觸發(fā)的情況，具體表現(xiàn)為輸出的光不停閃爍。調(diào)光器和LED驅(qū)動(dòng)器中的EMI濾波器，還會由TRIAC啟動(dòng)時(shí)的高dv/dt引起振鈴振蕩。

　　振蕩幅度達(dá)到一定程度時(shí)，會導(dǎo)致電流降至“保持電流”以下，從而使TRIAC關(guān)閉，而無法在下一次線路過零之前維持TRIAC導(dǎo)通。這一情況通常會由于觸發(fā)電路重觸發(fā)TRIAC，導(dǎo)致其在單個(gè)線路半周期中多次開和關(guān)。除了給元器件造成應(yīng)力并很可能破壞調(diào)光器或LED驅(qū)動(dòng)器之外，這將導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的閃爍以及令人不悅的噪聲情況。

　　假設(shè)使用LED燈所適用的調(diào)光器來替代該調(diào)光器并不是理想的解決方案，那么可以通過修改LED驅(qū)動(dòng)來解決上述問題，從而實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光器的搭配使用。

　　圖3：可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)示意圖

　　示例電路（圖3）為單級LED反激式轉(zhuǎn)換器，同樣的技術(shù)也可用于升降壓或適應(yīng)性降壓轉(zhuǎn)換器。首先，必須在設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)將輸入電容保持在最小值，這樣也有助于實(shí)現(xiàn)最佳的功率因數(shù)。　　下一步介紹的是有源衰減器及無源泄放器電路。衰減電路在TRIAC觸發(fā)時(shí)會限制沖擊電流，從而極大地抑制振鈴，以至TRIAC保持導(dǎo)通狀態(tài)。短暫延時(shí)后，衰減電阻被一個(gè)小的MOSFET所旁路，以防止在余下的導(dǎo)通期間產(chǎn)生功率損耗。為將低功率驅(qū)動(dòng)器成本降至最低，可忽略旁路MOSFET及其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路，但這會導(dǎo)致電阻器的散熱及相關(guān)的效率損失。

　　可使用無源泄放器電路代替一些調(diào)光解決方案中使用的有源泄放器。該串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)從觸發(fā)點(diǎn)開始傳導(dǎo)電流，時(shí)間足夠開關(guān)轉(zhuǎn)換器開始抽取電流，這有助于確保電流在這一期間不會降至保持電流以下。以恒定導(dǎo)通時(shí)間運(yùn)行的反激式或升降壓轉(zhuǎn)換器作為接至直流總線的主要電阻性負(fù)載，可在下次線路過零前保持調(diào)光器TRIAC的導(dǎo)通狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器需要抽取足夠多的電流，以保持在TRIAC保持電流之上。單級PFC反激式或升降壓轉(zhuǎn)換器通?？梢詫?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　此處所述電路采用了IRS2983控制器IC，其運(yùn)行在電壓模式下。COMP輸入端上的直流電壓電平?jīng)Q定了開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間。因?yàn)榭刂破鱅C常與初級側(cè)調(diào)節(jié)一起使用以保持恒定的輸出功率，所以必須在這一輸入端上增加齊納二極管來鉗位COMP電壓。這就對最大導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置了限制，以致在調(diào)光期間，當(dāng)直流總線電壓下降時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間就無法增加來進(jìn)行補(bǔ)償。

　　結(jié)果就是，隨著調(diào)光器設(shè)置的降低及直流總線電壓的下降，輸出電流也會降低。這樣就可以在無需采用更復(fù)雜的電路來檢測調(diào)光器相位角或調(diào)節(jié)輸出的情況下，通過調(diào)節(jié)調(diào)光器控制將燈光亮度調(diào)節(jié)至低于20%。同時(shí)，必須在調(diào)光關(guān)閉期間釋放控制器VCC電源，以確保IC僅在所需時(shí)段運(yùn)行。為此使用了一個(gè)高壓二極管連接VCC與直流總線。

　　有源衰減器及無源泄放器電路也可與降壓轉(zhuǎn)換器一起使用，但結(jié)果取決于LED電壓。由于在線路電壓低于輸出電壓時(shí)轉(zhuǎn)換器無法抽取電流，相位調(diào)光運(yùn)行范圍將受到限制。出于這一原因，LED電壓最好保持較低，但也不能太低，否則電路將變得無效，需要使用過大的電感器。對于保持合理調(diào)節(jié)范圍的120VAC系統(tǒng)，LED電壓最好是20V～40V。CCM降壓LED控制器IC（如IRS2980）可在不平滑的總線電壓始終高于LED總輸出電壓的同時(shí)，維持LED燈的平均電流調(diào)節(jié)。

　　本文介紹的這些簡單技巧在與所述的LED轉(zhuǎn)換器一起使用時(shí)，可使大多數(shù)基于TRIAC的調(diào)光器實(shí)現(xiàn)無閃爍的平滑調(diào)光效果。