LED照明應用的無(wú)閃爍調光實(shí)現方案

　如今，LED照明已確然成為一項主流技術(shù)。該項技術(shù)正日臻成熟，標志之一就是大量LED照明標準和規范的陸續出臺。嚴格的效率要求已存在相當一段時(shí)間了，今后仍將不斷提高。但近段時(shí)間，LED照明設計師的工作卻更為棘手了，因為要同時(shí)滿(mǎn)足以下兩項要求：既要用針對白熾燈的調光器來(lái)實(shí)現調光控制功能，又要實(shí)現高功率因數性能。

　　調光是照明系統非常常見(jiàn)的功能。對于白熾燈來(lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現。LED燈的調光卻存在一定難度，但對于建筑師和住宅用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在轉換到LED照明時(shí)可不愿失去調光控制應有的優(yōu)勢。

　　功率因數是非常重要的因素，因為高功率因數可降低配電網(wǎng)絡(luò )的損耗。降低電力使用對環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監管機構都在進(jìn)一步嚴格他們的功率因數規范。其中一個(gè)例子就是能源之星固態(tài)照明能效規范(09/12/07)，它規定住宅照明產(chǎn)品的功率因數(PF)應大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(PF)應大于0.9。

　　圖1:LED燈泡構造圖。

　　LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，自然希望他們的產(chǎn)品具有盡可能高的通用性。因此，他們非常需要能兼容各種調光器的LED驅動(dòng)電路，實(shí)現高效率工作并使功率因數達到0.9以上。

　　調光控制器

　　照明控制器以線(xiàn)路調光或次級側調光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線(xiàn)路調光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的事,使用可控硅控制器對LED燈進(jìn)行調光時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量問(wèn)題。更先進(jìn)的線(xiàn)路調光器是電子前沿或后沿調光器。次級側電子控制調光器則用于專(zhuān)業(yè)照明系統。

　　可控硅控制器在白熾燈中的表現無(wú)可挑剔，但在LED燈中會(huì )產(chǎn)生各種負面效應，其中包括閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)。要想弄清原因，首先必須了解可控硅調光器的工作原理。

　　圖2:前沿可控硅調光器。

　　調光控制是通過(guò)改變可控硅導通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現的。燈泡燈絲中的電流與調光信號的相位角密切相關(guān)，相位角的變化范圍介于0°(接近0°)到180°之間?？煽毓璧闹匾獏抵皇蔷S持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅動(dòng)的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40 mA。驅動(dòng)白熾燈時(shí)，維持電流不是問(wèn)題。然而，由于LED燈效率較高，在無(wú)法保持維持電流和燈熄滅時(shí)，就會(huì )出現問(wèn)題。如有任何振蕩發(fā)生，就很容易出現此類(lèi)情況。

　　對可控硅控制器來(lái)說(shuō)，白熾燈的阻抗非常低，因此不會(huì )出現振蕩。相反，LED驅動(dòng)器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個(gè)半周期，當可控硅導通時(shí)就會(huì )出現浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導通角下輸入電壓達到最大值。由于線(xiàn)路/濾波器阻抗的存在，總線(xiàn)電壓會(huì )發(fā)生過(guò)沖，從而發(fā)生振蕩。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控硅將關(guān)斷(圖3)。

　　圖3:輸入EM濾波器引起的電流振蕩。

　　當可控硅關(guān)斷時(shí)，R1和R2對DIAC(圖2)重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導通TRIAC，重新開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。結果是在同一輸入線(xiàn)路周期內多次重啟動(dòng)可控硅(圖4)。

　　圖4:可控硅因振蕩多次重啟動(dòng)。

　　為避免出現與可控硅調光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅動(dòng)器必須滿(mǎn)足LED負載非常不同的要求，同時(shí)還得與專(zhuān)為白熾燈設計的調光電路實(shí)現兼容。用于替換標準白熾燈的LED燈通常包含多個(gè)LED，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的亮度由其電流大小決定。LED的正向電壓降約為3.4 V，但通常介于2.8 V到4.2 V之間(±20%)。盡管負載變化較大，但LED燈串仍須由恒流電源提供驅動(dòng)，因此必須對電流進(jìn)行嚴格控制，以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。

　　LED燈要想實(shí)現可調光，其電源必須檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，并利用該信息來(lái)改變LED的恒流驅動(dòng)。電路自身所產(chǎn)生的傳導EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅動(dòng)電路必須控制功率因數。