構(gòu)建LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍的調(diào)光控制

1 LED照明設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

目的，全球照明行業(yè)的數(shù)字革命正在到來(lái)，高效節(jié)能的LED燈將取代白熾、M16鹵素?zé)艉虲FL燈泡。但近段時(shí)間LED照明設(shè)計(jì)人員的工作面又臨新的挑戰(zhàn)，那就是同時(shí)滿足既可用針對(duì)白熾燈與M16鹵素?zé)舻?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED驅(qū)動(dòng)">LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制功能，又要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)無(wú)任何閃爍的調(diào)光控制的的新要求，尤其是要兼容現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)，其中包括切角調(diào)光和電子變壓器調(diào)光支持無(wú)閃爍調(diào)光的設(shè)計(jì)。

應(yīng)該說(shuō)，調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見(jiàn)的功能，相對(duì)于對(duì)于白熾燈或M16鹵素?zé)魜?lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于LED燈的調(diào)光而言卻存在一定難度，尤其是要實(shí)現(xiàn)無(wú)任何閃爍的調(diào)光控制。通常對(duì)建筑與用戶來(lái)說(shuō)要將白熾燈或M16轉(zhuǎn)換到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去調(diào)光控制應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，即應(yīng)無(wú)任何閃爍。當(dāng)然，其中功率因數(shù)也是非常重要的因素，因?yàn)楦吖β室驍?shù)可降低配電綱絡(luò)的損耗與減少浪費(fèi)。因而國(guó)內(nèi)外各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在進(jìn)一步嚴(yán)格它們的功率因數(shù)規(guī)范，例如，能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范規(guī)定，住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應(yīng)大于0.7,商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)應(yīng)大于0.9.由此 LED燈泡和燈具制造商正在對(duì)這些要求做出響應(yīng)，要求LED驅(qū)動(dòng)電路能適合各種調(diào)光單元，具有高效率并且功率因數(shù)(PF)>0.9,使其產(chǎn)品具有高的通用性。

由此如何應(yīng)對(duì)LED照明設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，以滿足新要求就成為制造廠商與設(shè)計(jì)人員及消費(fèi)者迫切關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)此，本文將對(duì)LED照明應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)性能的無(wú)任何閃爍的調(diào)光控制技術(shù)與構(gòu)建等問(wèn)題作研討，并以應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器與高集成MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器2種高功率因數(shù)無(wú)任何閃爍的調(diào)光控制為例作重點(diǎn)分析。

2 應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器是一種專用恒流LED負(fù)載的反激式電源

為此先從調(diào)光控制器的基本理念述起。

2.1可控硅調(diào)光器在LED照明應(yīng)用中存在問(wèn)題

*可控硅調(diào)光器(見(jiàn)圖1(a)所示)。它是應(yīng)用切相原理，減少VRMS來(lái)降低普通負(fù)載(電阻負(fù)載)的功率，工作效率較高性能穩(wěn)定。

所以它是LED照明常用方法，見(jiàn)圖1(b)所示可控硅調(diào)光器與LED驅(qū)動(dòng)器配合架構(gòu)示意。

圖1(b)中可控硅調(diào)光就是在芯片中或者應(yīng)用電路中當(dāng)切相電源時(shí)，以提取導(dǎo)通角信息，并根據(jù)該信號(hào)控制來(lái)控制LED的驅(qū)動(dòng)電流，來(lái)得到調(diào)光的效果。然而可控硅調(diào)光器在LED照明應(yīng)用中卻有閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現(xiàn)象。其因有二：笫一是可控硅調(diào)光的100Hz頻閃存在。因?yàn)殡娋W(wǎng)的工頻是50/60Hz,切相波形整流后，就是可以得到一個(gè)100/120Hz的脈沖信號(hào)。這樣就可以直接用來(lái)產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號(hào)。而實(shí)際應(yīng)用中，只要有任何輕微的電壓波動(dòng)，電流變化，都會(huì)影響脈沖的占空比，這樣就相當(dāng)于一個(gè)100/120Hz的閃爍，而對(duì)白熾燈沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題?是因?yàn)闊襞萱u絲的物理惰性使得人不易感覺(jué)到;笫二是可控硅調(diào)光器的調(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，為維持可控硅的穩(wěn)定工作，它的重要參數(shù)之一維持電流(IH) 是不能為零(其典型值在8mA到40mA之間)。它在驅(qū)動(dòng)白熾燈時(shí)，該IH維持電流不是問(wèn)題，然而，在驅(qū)動(dòng)高效LED時(shí)，在燈熄滅時(shí)無(wú)法保持維持電流不出現(xiàn)同題。尤其在有振蕩情況下，就更容易出現(xiàn)閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現(xiàn)象。如果振蕩導(dǎo)致電流降到IH(8mA~40mA)以下，可控硅將關(guān)斷，其結(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)多次重啟可控硅，則LED燈頻頻發(fā)生閃爍。

*從提高LED驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力入手是抑制閃爍的關(guān)鍵

可控硅調(diào)光的100Hz頻閃-解決方法：不能直接把切相波形直接來(lái)調(diào)光，需要把凋制信號(hào)頻移至更高的頻段，使人看不出來(lái)閃爍。驅(qū)動(dòng)控制器芯片把調(diào)光的信號(hào)調(diào)至幾KHz更高的頻段。

關(guān)于可控硅調(diào)光的負(fù)載問(wèn)題 可控硅調(diào)光器要穩(wěn)定工作，就需要有穩(wěn)定的IH來(lái)保障調(diào)光器工作。為解決可控硅調(diào)光負(fù)載過(guò)熱，就需要應(yīng)用信號(hào)濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來(lái)的導(dǎo)通角信號(hào)進(jìn)行整形濾波，讓提高調(diào)光信號(hào)的可用性;為解決負(fù)載不足時(shí)的顫動(dòng)，需要加入信號(hào)平滑及鎖相技術(shù)，把相鄰兩個(gè)導(dǎo)通角信號(hào)平滑鎖定。就可以大大的減少閃爍情況的發(fā)生。

為避免出現(xiàn)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)載各種不同的要求，同時(shí)還得與白熾燈設(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。每個(gè)LED的亮度由其電流大小決定。LED的正向電壓降約為3.4V,但通常介于2.8V到4.2V之間(±20%)。盡管負(fù)載變化較大，但LED燈串仍須由恒流電源提供驅(qū)動(dòng)，因此必須對(duì)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(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)。

2.2恒流LED負(fù)載的反激式電源的構(gòu)建

應(yīng)該說(shuō)如今有多種類型控制器可以構(gòu)建恒流LED驅(qū)動(dòng)電源-LED負(fù)載的反激式電源。在此僅以集成多項(xiàng)控制器LinkSwitch.-PH構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器為例作分析。

2.2.1 應(yīng)用多項(xiàng)控制器構(gòu)建的LED驅(qū)動(dòng)器是一種專用恒流LED負(fù)載的反激式電源

圖2所示為使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器設(shè)計(jì)的反激式電源架構(gòu)，它是專用于恒流LED負(fù)載的反激式電源。LED驅(qū)動(dòng)用恒流源有助于保證LED在發(fā)光的工作時(shí)間段光線亮度一致、不閃爍。

圖2中LinkSwitch-PH控制器集成了多項(xiàng)專用于驅(qū)動(dòng)LED的新功能。該路與LED驅(qū)動(dòng)器采用標(biāo)準(zhǔn)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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：通通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?？刂破髟贔B引腳收到電流反饋後，會(huì)調(diào)整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調(diào)整率。該電路可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作，其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)的平均電荷造行控制，使其維持輸出電流調(diào)整率。由此可見(jiàn)由LinkSwitch-PH控制器構(gòu)建的用于恒流LED負(fù)載的反激式電源既可以進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，又能實(shí)現(xiàn)可控硅相位角檢測(cè)和功率(功率因素)的控制。

2.2.2無(wú)任何閃爍調(diào)光控制的實(shí)現(xiàn)

*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實(shí)現(xiàn)無(wú)任何閃爍調(diào)光控制的保證。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中兩個(gè)特性是連續(xù)導(dǎo)通模式和頻率抖動(dòng)。這兩個(gè)特性除了有助于簡(jiǎn)化輸入濾波外，因：連續(xù)導(dǎo)通模式具有兩大優(yōu)勢(shì)，即降低導(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)大電容，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)，這樣可擴(kuò)展開(kāi)關(guān)頻率的范圍，進(jìn)一步降低濾波要求。增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的1000:1調(diào)光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并且無(wú)任何閃爍現(xiàn)象。

特別需指出的是，LinkSwitch-PH可通過(guò)連接的編程電阻設(shè)置為調(diào)光光模式，也可放置非調(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。

*應(yīng)用LinkSwitch-PH控制器是由其獨(dú)特的特征所決定。那末究竟有什么應(yīng)用特征吶?應(yīng)該說(shuō)它是單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)、初級(jí)側(cè)恒流輸出及可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器IC.

LinkSwitch-PH(如PH LNK403EG)可大幅簡(jiǎn)化要求功率因數(shù)大于0.9、具備可控硅調(diào)光的高效率LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。這款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技術(shù)，不僅能提供非常高的功率因數(shù)和精確的恒流輸出控制，同時(shí)還可省去功率因數(shù)校正所需的無(wú)源電路以及光耦器和次級(jí)電流控制電路。每個(gè)器件都在一個(gè)單片IC上集成了一個(gè)725 V功率MOSFET、一個(gè)連續(xù)模式PWM控制器、一個(gè)自偏置的高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。而LinkSwitch-PH應(yīng)用特征具體如下：其一，它是一種大幅簡(jiǎn)化離線式LED驅(qū)動(dòng)器。具有單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)及精確恒流(CC)輸出與無(wú)閃爍的相位控制可控硅調(diào)光，可省去光耦器、所有次級(jí)電流控制電路、省去所有控制環(huán)路補(bǔ)償電路及 簡(jiǎn)化初級(jí)側(cè)PWM調(diào)光接口;其二、精確穩(wěn)定的性能。能快速啟動(dòng)時(shí)間，并補(bǔ)償變壓器電感容差與補(bǔ)償輸入電壓變化及頻率調(diào)制技術(shù)，從而極大縮減EMI濾波器的尺寸和成本;其三、先進(jìn)的保護(hù)及安全特性。它是一種開(kāi)路故障檢測(cè)模式，可通過(guò)自動(dòng)重啟動(dòng)提供短路保護(hù)能，自動(dòng)熱關(guān)斷或遲滯自動(dòng)重啟動(dòng)，無(wú)論在PCB板上還是在封裝上，都保證高壓漏極引腳與其他所有參考引腳之間滿足高壓爬電要求;其四、EcoSmart? - 高效節(jié)能