高效可調光LED照明解決方案的快速開(kāi)發(fā)策略

照明系統設計師幾乎要對各種光源(除鎢絲燈外)的燈具進(jìn)行調光，一直以來(lái)，調光是都是極具挑戰性的工作。在許多應用中，調光都十分重要，因為調光技術(shù)可使客戶(hù)根據實(shí)際需要設置所需的亮度，而且還能大幅節省電費。目前最常見(jiàn)的調光控制器是舍相(phase-cut)調光器，無(wú)論所提及的設備中實(shí)際是否包含三端雙向可控硅(TRIAC)器件,這類(lèi)調光器通常都是指TRIAC調光器。將舍相調光器與小型熒光燈以及現今的LED燈相連是一個(gè)高難度的設計挑戰。目前市面上的相關(guān)解決方案都不是很理想：一些方案的調光范圍非常有限；有些方案甚至出現閃爍。針對上述挑戰，美國國家半導體、科銳(Cree)和艾睿電子聯(lián)合發(fā)布了全新的解決方案，該方案可以使用傳統的舍相調光器更有效地實(shí)現可調光固態(tài)照明。

LED驅動(dòng)電路

該解決方案通過(guò)使用美國國家半導體PowerWise?LM3445LED驅動(dòng)器將90~135VRMS交流主電源輸入（入墻式電源插座）轉換為350mA直流恒定電流源，從而驅動(dòng)高功率Cree白光LED。在住宅、商用和工業(yè)建筑中，交流主電源通常經(jīng)由標準入墻式調光器進(jìn)行舍相或斬波，以削減LED的燈光輸出。如圖1所示的電路設計可確保用戶(hù)不會(huì )無(wú)意中接觸電路中的高電壓。

在圖1中，該電路未經(jīng)隔離處理，這意味著(zhù)從輸入（交流主電源）至輸出（LED燈具）是一條直流路徑。隔離的解決方案也就是電流隔離通常需要使用變壓器。兩類(lèi)方案各有利弊。隔離的解決方案通常擁有較大的體積和較小效率，因為需要使用變壓器，并且可能使用輸出反饋的光電耦合器。不過(guò)，通過(guò)在交流主電源和用戶(hù)之間提供內置保護可以更容易地通過(guò)諸如UL60950這樣的安全法規。相反，無(wú)隔離的解決方案體積較小，因此更適合燈泡翻新應用所需的小尺寸，但需要利用燈泡材料和結構的機械隔離以通過(guò)安全法規。與其它方案相比，美國國家半導體LM3445LED驅動(dòng)器適用于多種外形、尺寸和功率級別的應用，同時(shí)支持隔離和無(wú)隔離解決方案。

功率因數校正

當經(jīng)由入墻式交流主電源供電時(shí)，可能在輸入電流和電壓，甚至輸入電壓波形的尖峰和低谷之間產(chǎn)生相移。有功功率和視在功率的比稱(chēng)為功率因數，以0和1之間的數字表示。商業(yè)固態(tài)照明應用的能源之星規范要求功率因數達到0.9以上。當輸入電壓的諧波成分很低或為0時(shí)，功率因數計算如下：

第一項考慮電流中不連續（尖峰和低谷）引起的諧波成分，第二項余弦項考慮電壓和電流之間的相移。

這種應用中，采用了許多不同的技術(shù)來(lái)提高含有高諧波成分或相移電路中的功率因數。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為功率因數校正（PFC）。PFC技術(shù)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。本文所介紹的解決方案使用被動(dòng)式PFC技術(shù)無(wú)隔離設計，稱(chēng)為“填谷(Valley-Fill)”電路。該“填谷”電路工作原理如圖2所示。

輸入電壓大于先前峰值電壓除以“填谷”級數（電容器數量）時(shí)，負載直接從線(xiàn)路傳輸。另外，作為二極管配置的結果，電容器以串聯(lián)方式充電，因而以串聯(lián)的電容器數目均分電壓。當輸入電壓低于其峰值除以級數時(shí)，電容器被迫在該放電階段以并聯(lián)方式為負載供電。該“保持”電壓是初始輸入峰值電壓除以“填谷”級數。在此演示平臺上實(shí)現的電路使用雙級“填谷”電路，該電路非常重要。首先，它提供PFC，因為回路中負載的功率來(lái)自輸入。其次，電容器在并行放電中提供能量?jì)Υ?，所以L(fǎng)ED電流中無(wú)120Hz紋波。最后，因為它迫使大部分電流從輸入線(xiàn)路中吸取，調光器開(kāi)關(guān)僅接受所需電流）用于無(wú)閃爍操作。

采用LM3445LED驅動(dòng)器進(jìn)行相位調光

舍相調光器的調光已經(jīng)成為各種非鎢絲照明技術(shù)面臨的挑戰。舍相調光器分為兩類(lèi)：正相和反相，如圖3所示。相位調光器需要“泄放”電流以允許內部定時(shí)電路正常工作，許多調光器需要額外的“保持”電流以維持整個(gè)回路的正常工作。LM3445LED驅動(dòng)器的BLDR引腳提供泄放電流，外部電阻器R5在必要時(shí)可提供保持電流。美國國家半導體還可提供其他演示板，包括調光范圍和增加效率的交流120Hz回路中調制保持電流的另外電路。

對于寬泛的調光范圍，LM3445LED驅動(dòng)器充當了相位調光器的導通角或發(fā)射角，并將其轉換至合適的LED電流量，從而可以實(shí)現100:1的調光比。一些質(zhì)量更高的調光器可提供更寬的范圍，但是大多數應用不需要使用這類(lèi)調光器。LM3445驅動(dòng)器使用低側驅動(dòng)的降壓穩壓器調節LED電流。

峰值電流在ISNS引腳處測量，紋波保持恒定以保持平均電壓恒定。通過(guò)執行一個(gè)與輸出電壓VLED成反比的假恒定關(guān)斷時(shí)間,紋波得以保持恒定。這種方法通過(guò)保持紋波電流恒定以保持LED堆疊的平均電流恒定，而無(wú)需考慮輸入和輸出電壓變化，這基于電感器固有的基本工作原理。下列等式體現了標準電感器中電壓、電流、電感和時(shí)間之間的關(guān)系。簡(jiǎn)言之，可以不考慮續流二極管的正向電壓與LED堆疊電壓之間的關(guān)系。

若可避免磁芯飽和，則可假設電感值(L)是恒量，如果tOFF與VLED成反比，那么電感中的紋波電流也是恒量。恒定的峰值電流配合恒定的紋波則能得到所需的恒定平均電流。

WEBENCHLED設計工具

設計LED驅動(dòng)器，特別是相位調光應用具有一定的難度。為了幫助設計師應對設計挑戰，美國國家半導體開(kāi)發(fā)出功能強大的在線(xiàn)設計環(huán)境，稱(chēng)為WEBENCHLEDDesigner，其中包含多種CreeLED器件，可以直接使用LED的電子模式在特定的電路上進(jìn)行設計。圖4是CreeLED選擇圖表的界面圖。

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