行業(yè)技術分享：工程師解析LED照明系統(tǒng)設計技巧

LED照明將會取代主流的白熾照明和其他照明技術，占據(jù)市場主導位置。但從舊技術到新技術的轉(zhuǎn)換還需要多年時間。在此期間，LED燈設計師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設計與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構實現(xiàn)兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案，它久經(jīng)考驗，非常成熟。

LED燈泡的構造

一個LED燈包含一個到十幾個甚至更多的LED芯片，它們通常串聯(lián)在一起。每個芯片的發(fā)光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯(lián)連接方式，燈泡內(nèi)每個LED芯片會自動通過相同的電流，但每個芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會在2.8V到4.2V之間變化?？梢詫ED進行分類以限制電壓變動幅度，但這會增加成本，并且正向電壓降仍會隨溫度和使用時間發(fā)生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內(nèi)。

典型集成LED燈包括驅(qū)動電路、LED集束以及可同時為驅(qū)動器和LED芯片提供機械保護和散熱的外殼。

LED驅(qū)動器的要求非常嚴格。它必須是高效節(jié)能的，必須滿足嚴格的EMI和功率因數(shù)規(guī)格，并能安全地耐受各種故障條件。其中最為困難的要求之一是要有調(diào)光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設計的調(diào)光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳。問題可能表現(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，還存在各個單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問題。這些負面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關斷控制器以及 LED電流控制不當?shù)纫蛩毓餐斐傻摹?/p>

調(diào)光控制器

照明控制器以線路調(diào)光或PWM調(diào)光的方式進行工作。最簡單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，使用可控硅控制器對LED燈進行調(diào)光時會產(chǎn)生大量問題。更先進的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。PWM調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

使用前沿可控硅調(diào)光器時，調(diào)光控制是通過改變可控硅導通每個半周期的相位角來實現(xiàn)的。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號的相位角成一定的函數(shù)關系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。

可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩(wěn)定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8mA到40mA。因此，白熾燈的相位角調(diào)光器通常有一個規(guī)定的最小負載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經(jīng)內(nèi)部可控硅的電流始終高于所規(guī)定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低，維持電流將成為一個問題。

另一個潛在問題是浪涌電流?？煽毓鑼〞r，高浪涌電流會流入LED燈。最差情況就是相位角達到90°，而此時AC輸入電壓達到峰值。對白熾燈來說，浪涌電流不會構成問題。但在LED燈中，驅(qū)動器的輸入級阻抗和線路電容會造成振蕩。發(fā)生振蕩時，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導通。

要想解決這些問題，就必須修改LED驅(qū)動器的規(guī)格和設計。

非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動器

圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動器的基本應用電路圖。下面將介紹驅(qū)動器的功能，以便闡明該驅(qū)動器在成為可控硅調(diào)光器的負載時將會出現(xiàn)的問題。

該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關和電源控制器。該器件提供單級功率因數(shù)校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續(xù)模式、可變頻率、可變導通時間反激式轉(zhuǎn)換器。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率 MOSFET通過高頻變壓器進行開關。次級繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負載之前會被整流和平滑。LED負載電流還流經(jīng)檢測電阻RSENSE。 RSENSE上產(chǎn)生的電壓(典型值為290mV)會通過RF出現(xiàn)在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為 LinkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開路時提供過壓保護。

本設計中的輸出電流與電源變壓器的特性無關。電感變化對恒流特性無任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴格的容差，這在單級轉(zhuǎn)換器中非常突出。

在執(zhí)行調(diào)光控制時，LinkSwitch-PL器件會同時檢測輸入電壓過零點和可控硅調(diào)光器的導通角。輸入電壓過零點的檢測是通過漏極節(jié)點內(nèi)部完成的?？刂齐娐窌幚泶藬?shù)據(jù)并設定需要的反饋電壓，從而設定LED負載電流。浪涌電流

如圖1所示，驅(qū)動器對可控硅控制器構成高阻抗、大電容負載。此外，還將有電容和電感所構成的輸入EMI濾波電路。在每個半周期，都會產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。