解析基于直流電源和交流電源的LED調(diào)光技術(shù)

作為一種光源，調(diào)光是很重要的。不僅是為了在家居中得到一個(gè)更舒適的環(huán)境，在今天來(lái)說(shuō)，減少不必要的電光線(xiàn)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的是更加重要的一件事。而且對(duì)于LED光源來(lái)說(shuō)，調(diào)光也是比其他熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等更容易實(shí)現(xiàn)，所以更應(yīng)該在各種類(lèi)型的LED燈具中加上調(diào)光的功能。

第一部分 采用直流電源LED的調(diào)光技術(shù)

一.用調(diào)正向電流的方法來(lái)調(diào)亮度

要改變LED的亮度，是很容易實(shí)現(xiàn)的。首先想到的是改變它的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)長(zhǎng)ED的亮度是幾乎和它的驅(qū)動(dòng)電流直接成正比關(guān)系。圖1中顯示了Cree公司的XLampXP-G的輸出相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系。

圖1. XLampXP-G的輸出相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系

由圖中可知，假如以350mA時(shí)的光輸出作為100%，那么200mA時(shí)的光輸出就大約是60%，100mA時(shí)大約是25%。所以調(diào)電流可以很容易實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)。

1.1 調(diào)節(jié)正向電流的方法

調(diào)節(jié)LED的電流最簡(jiǎn)單的方法就是改變和LED負(fù)載串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻(圖2a)，幾乎所有DC-DC恒流芯片都有一個(gè)檢測(cè)電流的接口，是檢測(cè)到的電壓和芯片內(nèi)部的參考電壓比較，來(lái)控制電流的恒定。但是這個(gè)檢測(cè)電阻的值通常很小，只有零點(diǎn)幾歐，如果要在墻上裝一個(gè)零點(diǎn)幾歐的電位器來(lái)調(diào)節(jié)電流是不大可能的，因?yàn)橐€(xiàn)電阻也會(huì)有零點(diǎn)幾歐了。所以有些芯片提供一個(gè)控制電壓接口，改變輸入的控制電壓就可以改變其輸出恒流值。例如凌特公司的LT3478(圖2b)只要改變R1和R2的比值，也可以改變其輸出的恒流值。

圖2 輸出恒流值的調(diào)節(jié)

1.2 調(diào)正向電流會(huì)使色譜偏移

然而用調(diào)正向電流的方法來(lái)調(diào)亮度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，那就是在調(diào)亮度的同時(shí)也會(huì)改變它的光譜和色溫。因?yàn)槟壳鞍坠釲ED都是用蘭光LED激發(fā)$熒光粉而產(chǎn)生，當(dāng)正向電流減小時(shí)，藍(lán)光LED亮度增加而$熒光粉的厚度并沒(méi)有按比例減薄，從而使其光譜的主波長(zhǎng)增長(zhǎng)，具體實(shí)例如圖3所示。

圖3 主波長(zhǎng)和正向電流的關(guān)系

當(dāng)正向電流為350mA時(shí)，主波長(zhǎng)為545.8nm;當(dāng)正向電流減小為200mA時(shí)，主波長(zhǎng)為548.6nm;當(dāng)正向電流減小為100mA時(shí)，主波長(zhǎng)為550.2nm。

正向電流的改變也會(huì)引起色溫的變化(圖4)。

圖4. 白光LED的色溫和正向電流的關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)正向電流為350mA時(shí)，色溫為5734K，而正向電流增加到350mA時(shí)，色溫就偏移到5636K。電流再進(jìn)一步減小時(shí)，色溫會(huì)向暖色變化。

當(dāng)然這些問(wèn)題在一般的實(shí)際照明中可能不算是一個(gè)大問(wèn)題。然而在采用RGB的LED系統(tǒng)中，就會(huì)引起彩色的偏移，而人眼對(duì)彩色的偏差是十分敏感的，因此也是不能允許的。

1.3 調(diào)電流會(huì)產(chǎn)生使恒流源無(wú)法工作的嚴(yán)重問(wèn)題

然而在具體實(shí)現(xiàn)中，用調(diào)正向電流的方法來(lái)調(diào)光可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

我們知道LED通常是用DC-DC的恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，而這類(lèi)恒流驅(qū)動(dòng)源通常分為升壓型或降壓型兩種(當(dāng)然還有升降壓型，但由于效率低、價(jià)錢(qián)貴而不常用)。究竟采用升壓型還是降壓型是由電源電壓和LED負(fù)載電壓之間的關(guān)系決定的。假如電源電壓低于負(fù)載電壓就采用升壓型;假如電源電壓高于負(fù)載電壓就采用降壓型。而LED的正向電壓是由其正向電流決定的。從LED的伏安特性(圖5)可知，正向電流的變化會(huì)引起正向電壓的相應(yīng)變化，確切地說(shuō)，正向電流的減小也會(huì)引起正向電壓的減小。所以在把電流調(diào)低的時(shí)候，LED的正向電壓也就跟著降低。這就會(huì)改變電源電壓和負(fù)載電壓之間的關(guān)系。

圖5 LED的伏安特性

例如，在一個(gè)輸入為24V的LED燈具中，采用了8顆1W的大功率LED串聯(lián)起來(lái)。在正向電流為350mA時(shí)，每個(gè)LED的正向電壓是3.3V。那么8顆串聯(lián)就是2*V，比輸入電壓高。所以應(yīng)該采用升壓型恒流源。但是，為了要調(diào)光，把電流降到100mA，這時(shí)候的正向電壓只有2.8V，8顆串聯(lián)為22.4V，負(fù)載電壓就變成低于電源電壓。這樣升壓型恒流源就根本無(wú)法工作，而應(yīng)該采用降壓型。對(duì)于一個(gè)升壓型的恒流源一定要它工作于降壓是不行的，最后LED就會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。實(shí)際上，只要是采用了升壓型恒流源，在用調(diào)正向電流調(diào)光時(shí)，只要調(diào)到很低的亮度幾乎一定會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)槟菚r(shí)候的LED負(fù)載電壓一定是低于電源電壓。很多人因?yàn)椴涣私馄渲械膯?wèn)題，還總要去從調(diào)光的電路里去找問(wèn)題，那是徒勞無(wú)益的。

采用降壓型恒流源問(wèn)題會(huì)少一些，因?yàn)槿绻緛?lái)電源電壓高于負(fù)載電壓，當(dāng)亮度是往低調(diào)，負(fù)載電壓是降低的，所以還是需要降壓型恒流源。但是如果調(diào)到非常低的正向電流，LED的負(fù)載電壓也變得很低，那時(shí)候降壓比非常大，也可能超出了這種降壓型恒流源的正常工作范圍，也會(huì)使它無(wú)法工作而產(chǎn)生閃爍。

1.4 長(zhǎng)時(shí)間工作于低亮度有可能會(huì)使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無(wú)法工作

一般人可能認(rèn)為向下調(diào)光是降低恒流源的輸出功率，所以不可能會(huì)引起降壓型恒流源的功耗加大而溫升增高。殊不知當(dāng)降低正向電流時(shí)所引起的正向電壓降低會(huì)使降壓比降低。而降壓型恒流源的效率是和降壓比有關(guān)的，降壓比越大，效率越低，損耗在芯片上的功耗越大。圖6是SLM2842J的效率和降壓比的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖6 降壓型恒流源的效率和降壓比的關(guān)系

圖中的輸入電壓為35V，輸出電流為2A，當(dāng)輸出電壓為30V時(shí)，效率可以高達(dá)97.8%。但是當(dāng)輸出電壓降低到20V時(shí)，效率就降為96%;當(dāng)輸出電壓降低為10V時(shí)，效率就降低為92%。在這三種情況下，盡管其輸出功率依次為60W，40W和20W，但是其損耗功率卻依次為1.2W，1.6W，1.6W。后兩種情況下功耗增大了33%。假如恒流模塊的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)得非常臨界，增加33%的耗散功率就有可能會(huì)使芯片的結(jié)溫升高，以致發(fā)生過(guò)溫保護(hù)而無(wú)法工作，嚴(yán)重時(shí)也有可能使芯片燒毀。

1.5 調(diào)節(jié)正向電流無(wú)法得到精確調(diào)光

因?yàn)檎螂娏骱凸廨敵霾⒉皇峭耆汝P(guān)系，而且不同的LED會(huì)有不同的正向電流和光輸出關(guān)系曲線(xiàn)。所以用調(diào)節(jié)正向電流的方法很難實(shí)現(xiàn)精確的光輸出控制。

二.采用脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)調(diào)光

LED是一個(gè)二極管，它可以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)。它的開(kāi)關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上。是任何發(fā)光器件所無(wú)法比擬的。因此，只要把電源改成脈沖恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱(chēng)為脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光法。圖7表示這種脈寬調(diào)制的波形。假如脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么其工作比D(或稱(chēng)為孔度比)就是ton/tpwm。改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED的亮度。

圖7 用改變脈沖寬度的方法來(lái)改變LED的亮度

2.1 如何實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光

具體實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光的方法就是在LED的負(fù)載中串入一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管(圖8)，這串LED的陽(yáng)極用一個(gè)恒流源供電。

圖8 用PWM信號(hào)快速通斷LED串

然后用一個(gè)PWM信號(hào)加到MOS管的柵極，以快速地開(kāi)關(guān)這串LED。從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。也有不少恒流芯片本身就帶一個(gè)PWM的接口，可以直接接受PWM信號(hào)，再輸出控制MOS開(kāi)關(guān)管。那么這種PWM調(diào)光方法有那些優(yōu)缺點(diǎn)呢?

2.2脈寬調(diào)制調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)

1.不會(huì)產(chǎn)生任何色譜偏移。因?yàn)長(zhǎng)ED始終工作在滿(mǎn)幅度電流和0之間。

2.可以有極高的調(diào)光精確度。因?yàn)槊}沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現(xiàn)萬(wàn)分之一的精度。

3.可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行控制。因?yàn)槿魏螖?shù)字都可以很容易變換成為一個(gè)PWM信號(hào)。

4. 即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光，也不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)椴粫?huì)改變恒流源的工作條件(升壓比或降壓比)，更不可能發(fā)生過(guò)熱等問(wèn)題。