《電子技術(shù)應(yīng)用》
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利用LED驅(qū)動(dòng)器IC輕松實(shí)現(xiàn)無閃爍調(diào)光案例分析
Bill Weiss
Power Integrations, Inc
摘要: 白熾燈泡中燈絲的熱慣性還有助于掩蓋調(diào)光器所產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定或振蕩。在嘗試對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光的過程中遇到了大量問題,常常會(huì)導(dǎo)致閃爍和其他意想不到的情況。要想弄清原因,首先有必要了解可控硅調(diào)光器的工作原理、LED燈技術(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。
Abstract:
Key words :

  LED亮度高、功耗小、小型化、壽命長等優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了該技術(shù)的迅速發(fā)展,但LED照明" title="LED照明">LED照明技術(shù)仍存在成本高、散熱器過大、發(fā)光率低以及調(diào)光等挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)過程中,工程師進(jìn)行LED常規(guī)調(diào)節(jié)時(shí)往往會(huì)遇到啟動(dòng)速度慢、閃爍、光照不均勻等情況,因此如何解決LED閃爍問題成為工程師當(dāng)務(wù)之急。如果能夠提供高精度恒流控制(能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出,對(duì)流向LED的恒流進(jìn)行單向調(diào)整),輸入EMI濾波器電感和電容非常小,那么進(jìn)行有效的無閃爍調(diào)光" title="無閃爍調(diào)光">無閃爍調(diào)光是否便能成為可能?

  日前,Power Integrations (PI)公司LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動(dòng)" title="LED驅(qū)動(dòng)">LED驅(qū)動(dòng)器IC很好地解決這一困擾,該產(chǎn)品的初級(jí)側(cè)控制技術(shù)還省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級(jí)側(cè)控制電路),同時(shí)控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容,這對(duì)LED無閃爍調(diào)光的確帶來了一大福音。

  如今,LED照明已成為一項(xiàng)主流技術(shù)。LED手電筒、交通信號(hào)燈和車燈比比皆是,各個(gè)國家正在推動(dòng)用LED燈替換以主電源供電的住宅、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的白熾燈和熒光燈。換用高能效LED照明后,實(shí)現(xiàn)的能源節(jié)省量將會(huì)非常驚人。僅在中國,據(jù)政府當(dāng) 局估計(jì),如果三分之一的照明市場(chǎng)轉(zhuǎn)向LED產(chǎn)品,他們每年將會(huì)節(jié)省1億度的用電量,并可減少2900萬噸的二氧化碳排放量。然而,仍有一個(gè)障礙有待克服,那就是調(diào)光問題。

  白熾燈使用簡(jiǎn)單、低成本的前沿可控硅調(diào)光器就可以很容易地實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因此,這種調(diào)光器隨處可見。固態(tài)照明替換燈要想真正獲得成功的話,就必須能夠使用現(xiàn)有的控制器和線路實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

  白熾燈泡就非常適合進(jìn)行調(diào)光。具有諷刺意味的是,正是它們的低效率和隨之產(chǎn)生的高輸入電流,才是調(diào)光器工作良好的主要因素。白熾燈泡中燈絲的熱慣性還有助于掩蓋調(diào)光器所產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定或振蕩。在嘗試對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光的過程中遇到了大量問題,常常會(huì)導(dǎo)致閃爍和其他意想不到的情況。要想弄清原因,首先有必要了解可控硅調(diào)光器的工作原理、LED燈技術(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。

  圖1所示為典型的前沿可控硅調(diào)光器,以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形。

前沿可控硅調(diào)光器

圖1   前沿可控硅調(diào)光器

  LED亮度高、功耗小、小型化、壽命長等優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了該技術(shù)的迅速發(fā)展,但LED照明技術(shù)仍存在成本高、散熱器過大、發(fā)光率低以及調(diào)光等挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)過程中,工程師進(jìn)行LED常規(guī)調(diào)節(jié)時(shí)往往會(huì)遇到啟動(dòng)速度慢、閃爍、光照不均勻等情況,因此如何解決LED閃爍問題成為工程師當(dāng)務(wù)之急。如果能夠提供高精度恒流控制(能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出,對(duì)流向LED的恒流進(jìn)行單向調(diào)整),輸入EMI濾波器電感和電容非常小,那么進(jìn)行有效的無閃爍調(diào)光是否便能成為可能?

  日前,Power Integrations (PI)公司LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動(dòng)器IC很好地解決這一困擾,該產(chǎn)品的初級(jí)側(cè)控制技術(shù)還省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級(jí)側(cè)控制電路),同時(shí)控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容,這對(duì)LED無閃爍調(diào)光的確帶來了一大福音。

  如今,LED照明已成為一項(xiàng)主流技術(shù)。LED手電筒、交通信號(hào)燈和車燈比比皆是,各個(gè)國家正在推動(dòng)用LED燈替換以主電源供電的住宅、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的白熾燈和熒光燈。換用高能效LED照明后,實(shí)現(xiàn)的能源節(jié)省量將會(huì)非常驚人。僅在中國,據(jù)政府當(dāng) 局估計(jì),如果三分之一的照明市場(chǎng)轉(zhuǎn)向LED產(chǎn)品,他們每年將會(huì)節(jié)省1億度的用電量,并可減少2900萬噸的二氧化碳排放量。然而,仍有一個(gè)障礙有待克服,那就是調(diào)光問題。

  白熾燈使用簡(jiǎn)單、低成本的前沿可控硅調(diào)光器就可以很容易地實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因此,這種調(diào)光器隨處可見。固態(tài)照明替換燈要想真正獲得成功的話,就必須能夠使用現(xiàn)有的控制器和線路實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

  白熾燈泡就非常適合進(jìn)行調(diào)光。具有諷刺意味的是,正是它們的低效率和隨之產(chǎn)生的高輸入電流,才是調(diào)光器工作良好的主要因素。白熾燈泡中燈絲的熱慣性還有助于掩蓋調(diào)光器所產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定或振蕩。在嘗試對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光的過程中遇到了大量問題,常常會(huì)導(dǎo)致閃爍和其他意想不到的情況。要想弄清原因,首先有必要了解可控硅調(diào)光器的工作原理、LED燈技術(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。

  圖1所示為典型的前沿可控硅調(diào)光器,以及它所產(chǎn)生的電壓和電流波形。

前沿可控硅調(diào)光器

圖1   前沿可控硅調(diào)光器

  電位計(jì)R2調(diào)整可控硅(TRIAC)的相位角,當(dāng)VC2超過DIAC的擊穿電壓時(shí),可控硅會(huì)在每個(gè)AC電壓前沿導(dǎo)通。當(dāng)可控硅電流降到其維持電流(IH)以下時(shí),可控硅關(guān)斷,且必須等到C2在下個(gè)半周期重新充電后才能再次導(dǎo)通。燈泡燈絲中的電壓和電流與調(diào)光信號(hào)的相位角密切相關(guān),相位角的變化范圍介于0度(接近0度)到180度之間。

  用于替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈通常包含一個(gè)LED陣列,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的亮度由其電流決定,LED的正向電壓降約為3.4 V,通常介于2.8 V到4.2 V之間。LED燈串應(yīng)當(dāng)由恒流電源提供驅(qū)動(dòng),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,其電源必須能夠分析可控硅控制器的可變相位角輸出,以便對(duì)流向LED的恒流進(jìn)行單向調(diào)整。在維持調(diào)光器正常工作的同時(shí)做到這一點(diǎn)非常困難,往往會(huì)導(dǎo)致性能不佳。問題可以表現(xiàn)為啟動(dòng)速度慢,閃爍、光照不均勻,或在調(diào)整光亮度時(shí)出現(xiàn)閃爍。此外,還存在元件間不一致以及LED燈發(fā)出不需要的音頻噪聲等問題。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷可控硅以及LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻?。誤觸發(fā)的根本原因是在可控硅導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)了電流振蕩。圖2以圖表形式對(duì)該影響進(jìn)行了說明。

發(fā)生在LED燈電源輸入級(jí)的可控硅電流與電壓振蕩

圖2   發(fā)生在LED燈電源輸入級(jí)的可控硅電流與電壓振蕩

  可控硅導(dǎo)通時(shí),AC市電電壓幾乎同時(shí)施加到LED燈電源的LC輸入濾波器。施加到電感的電壓階躍會(huì)導(dǎo)致振蕩。如果調(diào)光器電流在振蕩期間低于可控硅電流,可控硅將停止導(dǎo)電??煽毓栌|發(fā)電路充電,然后重新導(dǎo)通調(diào)光器。這種不規(guī)則的多次可控硅重啟動(dòng),可使LED燈產(chǎn)生不需要的音頻噪聲和閃爍。設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單的EMI濾波器有助于降低此類不必要的振蕩。要想實(shí)現(xiàn)成功調(diào)光,輸入EMI濾波器電感和電容還必須盡可能地小。

  振蕩的最差條件表現(xiàn)為90度相位角(這時(shí),輸入電壓達(dá)到正弦波峰值,突然施加到LED燈的輸入端),并且為高輸入電壓(這時(shí),調(diào)光器的正向電流達(dá)到最低水平)。當(dāng)需要深度調(diào)光(比如相位角接近180度)且為低輸入電壓時(shí),則會(huì)發(fā)生過早關(guān)斷。要可靠地調(diào)低光度,可控硅必須單調(diào)導(dǎo)通,并停留在AC電壓幾乎降至零伏的點(diǎn)上。對(duì)于可控硅來說,維持導(dǎo)通所需的維持電流通常介于8 mA到40 mA之間。白熾燈比較容易維持這種電流大小,但對(duì)于功耗僅為等效白熾燈10%的LED燈來說,該電流可降低到可控硅維持電流以下,導(dǎo)致可控硅過早關(guān)斷。這樣就會(huì)造成閃爍和/或限制可調(diào)光范圍。

  在設(shè)計(jì)LED照明電源時(shí)還有許多其他問題構(gòu)成挑戰(zhàn)。能源之星固態(tài)照明規(guī)范要求商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的最小功率因數(shù)必須達(dá)到0.9,照明產(chǎn)品必須滿足效率、輸出電流容差和EMI的嚴(yán)格要求,并且電源還必須在LED負(fù)載發(fā)生短路或開路的情況下作出安全響應(yīng)。

  Power Integrations (PI)最近所取得的技術(shù)進(jìn)展為如何解決LED驅(qū)動(dòng)和可控硅的兼容性問題提供了參考范例。圖3是PI開發(fā)的可控硅調(diào)光的14 W LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖。

隔離式可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖

圖3    隔離式可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)通用輸入14 W LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖

  本設(shè)計(jì)采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG (U1)。LinkSwitch-PH系列LED驅(qū)動(dòng)器IC同時(shí)集成了一個(gè)725 V功率MOSFET和一個(gè)連續(xù)導(dǎo)通模式初級(jí)側(cè)PWM控制器??刂破骺蓪?shí)現(xiàn)單級(jí)主動(dòng)功率因數(shù)校正(PFC)和恒流輸出。LinkSwitch-PH系列器件所采用的初級(jí)側(cè)控制技術(shù)可提供高精度恒流控制(性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的初級(jí)側(cè)控制技術(shù)),省去了隔離反激式電源中常用的光耦器和輔助電路(即次級(jí)側(cè)控制電路),同時(shí)控制器中的PFC部分還省去了大容量電解電容。

  LinkSwitch-PH系列器件可設(shè)置為調(diào)光或非調(diào)光模式。對(duì)于可控硅相位調(diào)光應(yīng)用,可在參考(REFERENCE)引腳上使用編程電阻(R4)和在電壓監(jiān)測(cè)(VOLTAGE MONITOR)引腳上使用4 MΩ (R2+R3)電阻,使輸入電壓和輸出電流之間保持線性關(guān)系,從而擴(kuò)大調(diào)光范圍。

  連續(xù)導(dǎo)通模式具有兩大優(yōu)勢(shì):降低導(dǎo)通損耗(從而提高效率)和降低EMI特征。EMI特征降低后,使用較小的輸入EMI濾波器即可滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。可省去一個(gè)X電容,并省去共模扼流圈或減小其尺寸。LinkSwitch-PH器件中內(nèi)置的高壓功率MOSFET開關(guān)頻率抖動(dòng)功能還可進(jìn)一步降低濾波要求。輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅(qū)動(dòng)電路的電阻性阻抗隨之減小,其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于LinkSwitch-PH由其內(nèi)部參考電源供電,因此可進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定性。對(duì)于可調(diào)光應(yīng)用,增加主動(dòng)衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調(diào)光范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,且無任何閃爍。

  恒流控制允許有±25%的電壓擺幅,這樣就無需根據(jù)正向電壓降對(duì)LED進(jìn)行編碼,并且±5%的差異仍可確保一致的LED亮度。

  這個(gè)14 W LED設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)前沿可控硅AC調(diào)光器兼容、極寬調(diào)光范圍(1000:1,500 mA:0.5 mA)、高效率(> 85%)和高功率因數(shù)(> 0.9)的目標(biāo)。它說明與LED燈可控硅調(diào)光相關(guān)的問題是可以克服的,甚至可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì),使可調(diào)光LED燈更具成本效益,且達(dá)到一致和可靠的性能。

 

 

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