適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案

　　LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED 的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量。能完成數(shù)十種不同的工作，并且在各種設(shè)備中都能找到它們的身影。例如它們可以組成電子鐘表 表盤上的數(shù)字，從遙控器 傳輸信息，為手表表盤照明并在設(shè)備開啟時向您發(fā)出提示。 如果將它們集結(jié)在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點(diǎn)亮交通信號燈。

　　是由超導(dǎo)發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強(qiáng)度的燈光，它發(fā)出的熱量很少，不像白熾燈那樣浪費(fèi)太多熱量，不像熒光燈那樣因消耗高能量而 產(chǎn)生有毒氣體，也不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞。LED 已被全球公認(rèn)為新一代的環(huán)保型高科技光源

　　光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價格比高等特點(diǎn)，直觀快速，是一種使用極其簡單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長時間工作。

。 LED 具有高光效能，比傳統(tǒng)霓虹燈節(jié)省電能 80%以上，工作安 全可靠。LED 改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理， 而采用電場發(fā)光。LED 光源具有壽命長，光效高，無輻射與低功耗等特點(diǎn)。

　　LED照明將會取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場主導(dǎo)位置。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉(zhuǎn)換還需要多年時間。在此期間，LED燈設(shè)計師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實(shí)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(yàn)，非常成熟。

　　LED燈泡的構(gòu)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(jìn)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(yán)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(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。

　　LED驅(qū)動器的要求非常嚴(yán)格。它必須是高效節(jié)能的，必須滿足嚴(yán)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(shè)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(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷控制器以及LED電流控制不當(dāng)?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(jìn)行工作。最簡單的線路調(diào)光方式是前沿可控硅可控硅

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(jìn)行調(diào)光時會產(chǎn)生大量問題。更先進(jìn)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(dǎo)通每個半周期的相位角來實(shí)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(guān)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(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)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(fù)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?dǎo)通時，高浪涌電流會流入LED燈。最差情況就是相位角達(dá)到90°，而此時AC輸入電壓達(dá)到峰值。對白熾燈來說，浪涌電流不會構(gòu)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(fù)載時將會出現(xiàn)的問題。

圖1 非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動器的基本應(yīng)用電路圖

　　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(guān)開關(guān)

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(dǎo)通時間反激式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

　　轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類。從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等等。例如視頻轉(zhuǎn)換器就是一種連接電腦和電視的設(shè)備，它可以把電腦上的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并顯示在電視機(jī)上，讓人們可以在電視上學(xué)電腦，上網(wǎng)，玩游戲，做商業(yè)演示，看股票等等。 [全文]

　　整流后的交流電源輸入由集成的725V功率MOSFET

　　“MOSFET”是英文metal-oxide- semiconductor field effect transistor的縮寫，意即“金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”，功率MOSFET即為以金屬層M的柵極隔著氧化層O利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體S的場效應(yīng)晶體管。除少數(shù)應(yīng)用于音頻功率放大器，工作于線性范圍，大多數(shù)用作開關(guān)和驅(qū)動器，工作于開關(guān)狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達(dá)幾安培到幾十安培。功率MOSFET都是增強(qiáng)型MOSFET，它具有優(yōu)良的開關(guān)特性。

　　通過高頻變壓器

　　變壓器（Transformer）是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。

進(jìn)行開關(guān)。次級繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會被整流和平滑。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測電阻電阻

　　電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

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(hù)。

　　本設(shè)計中的輸出電流與電源變壓器

的特性無關(guān)。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(yán)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(diǎn)和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角。輸入電壓過零點(diǎn)的檢測是通過漏極節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成的?？刂齐娐窌幚泶藬?shù)據(jù)并設(shè)定需要的反饋電壓，從而設(shè)定LED負(fù)載電流。

　　浪涌電流

　　如圖1所示，驅(qū)動器對可控硅控制器構(gòu)成高阻抗、大電容負(fù)載。此外，還將有電容和電感所構(gòu)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)。

　　要想實(shí)現(xiàn)無故障的調(diào)光工作，驅(qū)動器必須能夠限制振蕩并防止可控硅電流降到維持電流值以下。圖2所示為具備此功能的驅(qū)動器的完整電路圖。

圖 2 用于A19白熾燈替換燈的5W、15V可控硅調(diào)光LED驅(qū)動器的電路圖

　　圖2中的電路提供350mA的單路恒流輸出和15V的LED串電壓。使用標(biāo)準(zhǔn)交流電源可控硅調(diào)光器可將輸出電流減小1%(3mA)，并且不會造成LED負(fù)載不穩(wěn)定或閃爍。該驅(qū)動器可同時兼容低成本的可控硅調(diào)光器和更復(fù)雜的電子前沿及后沿調(diào)光器。

　　該驅(qū)動器的功能增加了輸入EMI濾波和三個可控硅調(diào)光所特有的元件：一個無源衰減電路、一個有源衰減電路和一個泄放電路。

　　輸入EMI濾波可確保符合IEC環(huán)形波和EN55015傳導(dǎo)EMI規(guī)定。然而，關(guān)鍵點(diǎn)在于LinkSwitch-PL控制器集成了內(nèi)置的頻率抖動特性。該特性可分散開關(guān)頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠(yuǎn)低于正常要求。這有助于大幅減小對可控硅帶來的電感性負(fù)載，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。

　　電阻R20構(gòu)成無源衰減電路。有源衰減電路在每個交流半周期通過輸入整流管連接串聯(lián)電阻(R7和R8)，在剩下的交流周期則通過并聯(lián)可控硅整流器整流器

(Q3)繞過該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時間，然后將衰減電阻R7和R8短路。無源衰減電路和有源衰減電路可在每個半周期可控硅導(dǎo)通時，共同限制峰值浪涌電流。

　　電阻R10、R11和C6形成泄放電路，確保初始輸入電流量可以滿足可控硅的維持電流要求，特別是在導(dǎo)通角較小的情況下。對于非調(diào)光應(yīng)用，則可以省去無源衰減電路、有源衰減電路以及泄放電路。

　　隔離式LED驅(qū)動器

　　圖2中的驅(qū)動器針對低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優(yōu)化過。PI針對要求電氣隔離的更高功率LED照明系統(tǒng)，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示(詳見本刊網(wǎng)站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅(qū)動器的電路圖。

圖 3 14W可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動器的電路圖

　　該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)對28V的額定LED串電壓提供0.5A驅(qū)動電流，其特性包括超寬調(diào)光范圍、無閃爍工作(即使使用低成本的交流輸入可控硅調(diào)光器)以及快速平滑的導(dǎo)通。

　　它所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)通模式下的隔離反激式結(jié)構(gòu)。輸出電流調(diào)節(jié)完全從初級側(cè)檢測，因此無需使用次級反饋元件。單級內(nèi)部控制器調(diào)整高壓功率MOSFET的占空比，以保持輸入電流為正弦交流電，從而確保高功率因數(shù)和低諧波電流。

　　該電路的功能與圖2中的電路大體相似，最明顯的差異是該電路采用了電氣隔離，沒有使用與負(fù)載串聯(lián)的檢測電阻。反饋控制通過變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項(xiàng)功能：經(jīng)由旁路(BP)輸入對LinkSwitch-PH供電，經(jīng)由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個重要輸入是電壓監(jiān)測(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測器接口相連，后者由D1、C3、R1、R2和R3構(gòu)成。外加電流用于控制輸入欠壓(UV)和過壓(OV)的停止邏輯，并提供前饋信號以控制輸出電流和遠(yuǎn)程開/關(guān)功能。該電路集成了衰減電路和泄放電路，以確?？煽毓韫ぷ?。

　　在任何LED照明裝置中，驅(qū)動器的性能都決定著最終用戶的照明體驗(yàn)，包括啟動時間、調(diào)光、無閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅(qū)動器可同時在115 VAC和230 VAC下兼容各種調(diào)光器并兼容盡可能寬的調(diào)光范圍。因此，衰減電路和泄放電路會起到相對積極的作用，但這會讓效率下降。即使如此，該電路的效率仍能在115 VAC下≥85%，在230 VAC下≥87%。如果不需要調(diào)光功能，可省去衰減電路和泄放電路，可取得更高的效率。

　　由上述設(shè)計我們看到，新技術(shù)的功耗低到只是舊技術(shù)的十分之一，在會降低效率(即增加功耗)的情況下，是否真的有必要與所有舊的可控硅控制器實(shí)現(xiàn)兼容？當(dāng)使用一個最低負(fù)載規(guī)格為40W的1000W可控硅控制器提供驅(qū)動時，我們能否讓一個5W LED燈正確工作呢？是的，這是可以做到的，也許應(yīng)該盡快做到。但我們必須謹(jǐn)記，完整照明解決方案的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大效率和最低生命周期成本。