可調光節能燈技術(shù)及其應用

摘要：以其典型智慧型可調光節能燈技術(shù)為例對其主要功能特征與應用作分析說(shuō)明，探討如何讓可調光節能燈自動(dòng)適應不同的可控硅調光器，以及適應各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調光性能。

當今在市面上銷(xiāo)售的普通節能燈是不可以進(jìn)行調光的，在不需要太亮的時(shí)候，能源就白白流失了;是否有可以和白熾燈一樣可以方便的進(jìn)行調光的方案呢?答案是肯定的。為此探討如何讓可調光節能燈自動(dòng)適應不同的可控硅調光器，以及適應各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調光性能，成為照明系統的熱點(diǎn)。而目前智慧型可調光節能燈解決方案己有：可支持 TRIAC 調光LED驅動(dòng)器和針對固態(tài)照明(SSL)應用、支持TRIAC 調光的單級功率因數校正LED 驅動(dòng)器以及可控硅調光器無(wú)級調光等多種新型技術(shù)面世。值此以其典型為例對其主要功能特征與應用作分析說(shuō)明。首先從智慧型可控硅調光器無(wú)級調光基本架構述起。

1 可控硅調光器無(wú)級調光基本架構(見(jiàn)圖1所示)

1.1 基本架構

該基本架構由(三端雙向可控硅)TRIAC(三端雙向可控硅)、功率因素校正器(PFC)、微處理器(MCU)及電子鎮流器控制集成電路]成。它是最接近傳統的白熾光調光的效果，控制電路通過(guò) PFC 電路確保直流母線(xiàn)電壓的穩定，通過(guò)MCU 來(lái)檢測可控硅輸出電壓來(lái)判斷調光器的設定位置，MCU 通過(guò)給電子鎮流器控制集成電路來(lái)輸出對應的輸出功率，實(shí)現無(wú)級調光。

若對于成本敏感和體積要求很小的節能燈方案，可以將PFC 電路去掉，使用MCU 來(lái)識別可控硅的導通角來(lái)判斷用戶(hù)設定的亮度，以及通過(guò)MCU 來(lái)動(dòng)態(tài)補償電網(wǎng)的電壓的變動(dòng)，從而使到CFL 的亮度可以最大程度的接近白熾燈的調光性能。

1.2 關(guān)于新型電子鎮流器控制IC的應用

圖1中MCU與鎮流器控制器芯片及PFC芯片有多種選擇?？梢杂没诟呒啥?、低成本的鎮流器控制器芯片(如UBA2014芯片- NXP 公司產(chǎn))與一款內置PWM模塊、低成本、小體積智能芯片作為MCU(如PIC12F615型-美國微芯公司產(chǎn))，以構建出實(shí)用智慧型可控硅調光器無(wú)級調光器。其特點(diǎn)是能在高溫、強干擾環(huán)境下穩定工作。

而智慧型可控硅調光器無(wú)級調光器中新型電子鎮流器控制IC選擇很重要。值此以UBA2014芯片為例作說(shuō)明。為什么應用UBA2014芯片吶?這是因其UBA2014芯片是用來(lái)驅動(dòng)熒光燈的電子鎮流器控制集成電路。它能驅動(dòng)兩個(gè)功率MOS管，并包含有電平移位元電路、自激振蕩器、燈電壓檢測路、燈電流控制功能、定時(shí)功能以及保護功能等。在燈預熱期間，UBA2014 控制流過(guò)燈絲的電流及預熱時(shí)間，以保證燈絲得到充分而最佳的預熱，降低燈啟輝時(shí)所需的啟輝電壓，延長(cháng)燈絲壽命。集成電路通過(guò)控制預熱時(shí)間和預熱電流，可以很方便的定制出各種需要的啟動(dòng)時(shí)間。無(wú)論在啟輝階段還是燈管出現異常情況，容性模式保護功能都可以確保功率MOS 管處于安全工作。

其工作方式為：在燈點(diǎn)亮階段，燈的平均電流受到控制。集成電路通過(guò)改變輸出頻率來(lái)改變燈的平均電流，從而實(shí)現燈的調光功能。當燈管老化、燈失效或燈管被取下時(shí)，UBA2014 均有多種保護功能。在電壓低時(shí)，有掉電保護功能，以保護功率不至損壞。而UBA2028T 是UBA2014 集成功率MOSFET 的版本，可以驅動(dòng)23W 及以下節能燈，并實(shí)現調光功能。

2 新型支持TRIAC調光LED驅動(dòng)器應用

以支持TRIAC 調光LED驅動(dòng)器LM3445(美國國家半導體公司產(chǎn))應用為例作分析說(shuō)明。

2.1主要功能特征

優(yōu)勢。其應用電壓范圍可從 80 VAC 到 270 VAC，其導通角檢測器/譯碼器可以實(shí)現全范圍的(100:1)調光，內置300Ω泄流電阻可確保 TRIAC 信號譯碼無(wú)誤，獨特的調控架構可確保恒定的紋波電流以延長(cháng)LED的工作壽命，并保證可調節輸出電流高至或大于1A，又可通過(guò)主/從操作方式控制多條燈串的亮度。具體優(yōu)點(diǎn)有四：其一、離線(xiàn)式解決方案優(yōu)點(diǎn)是為容易使用與降低設計的復雜度;其二、角度偵測器/譯碼器優(yōu)點(diǎn)是為可實(shí)現無(wú)閃爍的 100:1 全范圍調光;其三、獨特的調控結構優(yōu)點(diǎn)是為設計簡(jiǎn)單及方案尺寸小巧并可維持穩定的紋波電流以延長(cháng)LED的壽命;其四、主/從控制優(yōu)點(diǎn)是為允許一個(gè) TRIAC 為多條LED燈串提供穩定的調光控制并可輕易地應用到現行的照明系統中而不需更改設計。

上述這四大優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上也就是能全范圍調光能力與無(wú)閃爍的穩定調光功能。因為最新的TRIAC調光LED驅動(dòng)器能夠提供100:1的調光比，故從最亮調到最暗的全程都能保持穩定的亮度變化。同時(shí)，在標準市電電壓下驅動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED，又都能保持恒定的電流;而TRIAC調光LED驅動(dòng)器可適用于具備主/從控制功能的多芯片解決方案，采用一個(gè)TRIAC調光器便能控制多串LED，并確保調控時(shí)的亮度變化平滑穩定，沒(méi)有頻閃現象。

使用方便。LM3445 LED調光驅動(dòng)器可以讓LED燈直接取代那些配有TRIAC調光控制器的白熾燈或鹵素燈，且無(wú)需作任何更改，保持原有的調光性能。此外，LM3445支持美國國家半導體的 WEBENCH? LED Designer 網(wǎng)上設計工具，讓工程師可以更快、更輕松完成照明系統。

2.2 應用

可更新使用TRIAC調光器的照明系統(見(jiàn)圖2為新型LM3445TRIAC調光器典型應用示意)。即包括了住宅照明與 建筑物照明及 工業(yè)及商用照明等照明系統。

3 針對固態(tài)照明(SSL)應用、支持TRIAC 調光的單級功率因數校正LED 驅動(dòng)器的應用

為此先對其中的離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器解決方案理念作說(shuō)明。離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器解決方案是適用于任何使TRIAC壁掛式調光器的LED照明應用，而且能夠提供寬范圍的，穩定的亮度調整，并不會(huì )產(chǎn)生閃爍的產(chǎn)品。此類(lèi)產(chǎn)品還可以實(shí)現很高的轉換效率，它的典型應用完全符合能源之星 ENERGY STAR? 對功率因素的規范要求。傳統的TRIAC 調光控制器是用來(lái)調節電阻性的負載(例如是白熾燈或鹵素燈)，而目前市場(chǎng)上的LED驅動(dòng)器解決方案，在作TRIAC調光控制的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生120 Hz 的閃爍及/或不能實(shí)現 100:1 的對比度。而離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器解可將TRIAC的斬波信息解a，并轉換成一個(gè)LED調光信號，能夠在整個(gè)寬闊的調光范圍內實(shí)現完全無(wú)閃爍的亮度調控。

目前LED 驅動(dòng)器IC 可在固態(tài)照明應用中實(shí)現無(wú)閃爍的可控硅調光也有二種款型，即是LinkSwitch-PH(適合設計隔離式電源)和LinkSwitch-PL(適合設計非隔離式電源)，兩者都可實(shí)現無(wú)閃爍的單片TRIAC 調光，達到與白熾燈類(lèi)似的照明效果。

3.1 新型架構

LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL 產(chǎn)品系列都集成了單級功率因數校正器(PFC)，可使固態(tài)照明(SSL) 燈的功率因數達到0.9 以上。LinkSwitch-PH 器件采用了初級側控制技術(shù)，因此可省去傳統反激式設計中常用的光耦器和眾多輔助元件。非隔離式LinkSwitch-PL 設計可進(jìn)一步減少元件數量，不僅能提升系統可靠性，還可降低物料清單成本(BOM)。這兩種器件系列都采用單片設計, 即將控制器和MOSFET 集成到單晶片上，這樣可以減少元件數量和省去控制器與功率MOSFET 之間的寄生元件，因此可大大簡(jiǎn)化PCB 布局。這些新的LinkSwitch 產(chǎn)品不僅能簡(jiǎn)化反激式電源設計，還可提高其效率，并且還能在高達305 VAC 的輸入電壓下工作，因此它們可以用來(lái)開(kāi)發(fā)適合于全球各類(lèi)種住宅及商業(yè)照明應用的單電壓產(chǎn)品和通用輸入產(chǎn)品。在制造商規定的溫度和驅動(dòng)電流范圍內工作時(shí)，LED 的使用壽命有望達到50,000 小時(shí)以上。

眾所周知,LED 照明系統中最薄弱的一環(huán)是驅動(dòng)電路，因為它往往受累于不可靠的光耦器和寄生電容。LinkSwitch 產(chǎn)品中所采用的Power Integrations 獨有的精確初級側控制技術(shù)可省去光耦器。而且，新的LinkSwitch LED 驅動(dòng)器IC 產(chǎn)品系列不需要使用大容量寄生電容。工H師在使用LinkSwitch-PL 和LinkSwitch-PH 設計SSL 產(chǎn)品時(shí)，可以預見(jiàn)驅動(dòng)器的工作壽命與其精確控制LED 陣列相當。這兩種新的產(chǎn)品系列都非常適合設計替換燈中空間受限的LED 驅動(dòng)器。LinkSwitch-PH 產(chǎn)品系列用于設計隔離式電源，其額定輸出功率可達50 瓦，因此還非常適合設計筒燈、建筑照明、標牌和室外照明中常用的外部LED 鎮流器。這兩款器件都可縮減電源系統的BOM器件數量和尺寸，從而提升系統可靠性。這些IC可使工H師提高系統效率，滿(mǎn)足甚至超越包括能源之星和EN61000-3-2 在內的所有法規標準。

圖3為例舉了用LinkSwitch-PL構建的支持TRIAC 調光的單級功率因數校正LED 驅動(dòng)器方案示意圖.