構建LED驅動(dòng)器應實(shí)現無(wú)閃爍的調光控制

1 LED照明設計帶來(lái)的挑戰

目的，全球照明行業(yè)的數字革命正在到來(lái)，高效節能的LED燈將取代白熾、M16鹵素燈和CFL燈泡。但近段時(shí)間LED照明設計人員的工作面又臨新的挑戰，那就是同時(shí)滿(mǎn)足既可用針對白熾燈與M16鹵素燈的LED驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現調光控制功能，又要實(shí)現高功率因數無(wú)任何閃爍的調光控制的的新要求，尤其是要兼容現有的基礎架構，其中包括切角調光和電子變壓器調光支持無(wú)閃爍調光的設計。

應該說(shuō)，調光是照明系統非常常見(jiàn)的功能，相對于對于白熾燈或M16鹵素燈來(lái)說(shuō)，它可以以低成本輕易實(shí)現，但對于LED燈的調光而言卻存在一定難度，尤其是要實(shí)現無(wú)任何閃爍的調光控制。通常對建筑與用戶(hù)來(lái)說(shuō)要將白熾燈或M16轉換到用LED照明其最有余悸的是惟恐失去調光控制應用上的優(yōu)勢，即應無(wú)任何閃爍。當然，其中功率因數也是非常重要的因素，因為高功率因數可降低配電綱絡(luò )的損耗與減少浪費。因而國內外各地的監管機構都在進(jìn)一步嚴格它們的功率因數規范，例如，能源之星固態(tài)照明能效規范規定，住宅照明產(chǎn)品的功率因數應大于0.7,商用照明產(chǎn)品的功率因數應大于0.9.由此 LED燈泡和燈具制造商正在對這些要求做出響應，要求LED驅動(dòng)電路能適合各種調光單元，具有高效率并且功率因數(PF)>0.9,使其產(chǎn)品具有高的通用性。

由此如何應對LED照明設計帶來(lái)的挑戰，以滿(mǎn)足新要求就成為制造廠(chǎng)商與設計人員及消費者迫切關(guān)注的問(wèn)題。據此，本文將對LED照明應用中實(shí)現高功率因數性能的無(wú)任何閃爍的調光控制技術(shù)與構建等問(wèn)題作研討，并以應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器與高集成MOSFET LED驅動(dòng)器2種高功率因數無(wú)任何閃爍的調光控制為例作重點(diǎn)分析。

2 應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器是一種專(zhuān)用恒流LED負載的反激式電源

為此先從調光控制器的基本理念述起。

2.1可控硅調光器在LED照明應用中存在問(wèn)題

*可控硅調光器(見(jiàn)圖1(a)所示)。它是應用切相原理，減少VRMS來(lái)降低普通負載(電阻負載)的功率，工作效率較高性能穩定。

所以它是LED照明常用方法，見(jiàn)圖1(b)所示可控硅調光器與LED驅動(dòng)器配合架構示意。

圖1(b)中可控硅調光就是在芯片中或者應用電路中當切相電源時(shí)，以提取導通角信息，并根據該信號控制來(lái)控制LED的驅動(dòng)電流，來(lái)得到調光的效果。然而可控硅調光器在LED照明應用中卻有閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現象。其因有二：笫一是可控硅調光的100Hz頻閃存在。因為電網(wǎng)的工頻是50/60Hz,切相波形整流后，就是可以得到一個(gè)100/120Hz的脈沖信號。這樣就可以直接用來(lái)產(chǎn)生調光的PWM信號。而實(shí)際應用中，只要有任何輕微的電壓波動(dòng)，電流變化，都會(huì )影響脈沖的占空比，這樣就相當于一個(gè)100/120Hz的閃爍，而對白熾燈沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題?是因為燈泡鎢絲的物理惰性使得人不易感覺(jué)到;笫二是可控硅調光器的調光控制是通過(guò)改變可控硅導通每個(gè)半周期的相位角來(lái)實(shí)現的，為維持可控硅的穩定工作，它的重要參數之一維持電流(IH) 是不能為零(其典型值在8mA到40mA之間)。它在驅動(dòng)白熾燈時(shí)，該IH維持電流不是問(wèn)題，然而，在驅動(dòng)高效LED時(shí)，在燈熄滅時(shí)無(wú)法保持維持電流不出現同題。尤其在有振蕩情況下，就更容易出現閃爍、發(fā)光不均勻、音頻噪聲以及閃動(dòng)現象。如果振蕩導致電流降到IH(8mA~40mA)以下，可控硅將關(guān)斷，其結果是在同一輸入線(xiàn)路周期內多次重啟可控硅，則LED燈頻頻發(fā)生閃爍。

*從提高LED驅動(dòng)器負載能力入手是抑制閃爍的關(guān)鍵

可控硅調光的100Hz頻閃-解決方法：不能直接把切相波形直接來(lái)調光，需要把凋制信號頻移至更高的頻段，使人看不出來(lái)閃爍。驅動(dòng)控制器芯片把調光的信號調至幾KHz更高的頻段。

關(guān)于可控硅調光的負載問(wèn)題 可控硅調光器要穩定工作，就需要有穩定的IH來(lái)保障調光器工作。為解決可控硅調光負載過(guò)熱，就需要應用信號濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來(lái)的導通角信號進(jìn)行整形濾波，讓提高調光信號的可用性;為解決負載不足時(shí)的顫動(dòng)，需要加入信號平滑及鎖相技術(shù)，把相鄰兩個(gè)導通角信號平滑鎖定。就可以大大的減少閃爍情況的發(fā)生。

為避免出現可控硅調光相關(guān)的問(wèn)題，LED驅動(dòng)器必須滿(mǎn)足LED負載各種不同的要求，同時(shí)還得與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3.4V,但通常介于2.8V到4.2V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)。

2.2恒流LED負載的反激式電源的構建

應該說(shuō)如今有多種類(lèi)型控制器可以構建恒流LED驅動(dòng)電源-LED負載的反激式電源。在此僅以集成多項控制器LinkSwitch.-PH構建的LED驅動(dòng)器為例作分析。

2.2.1 應用多項控制器構建的LED驅動(dòng)器是一種專(zhuān)用恒流LED負載的反激式電源

圖2所示為使用最新器件LinkSwitch.-PH控制器設計的反激式電源架構，它是專(zhuān)用于恒流LED負載的反激式電源。LED驅動(dòng)用恒流源有助于保證LED在發(fā)光的工作時(shí)間段光線(xiàn)亮度一致、不閃爍。

圖2中LinkSwitch-PH控制器集成了多項專(zhuān)用于驅動(dòng)LED的新功能。該路與LED驅動(dòng)器采用標準反激式拓撲結構不同，它采用了初級側調整。這樣可省去光耦器和次級側控制電路。變壓器上的次級側繞組(偏置繞組)具有兩種功能：通通BP引腳為L(cháng)inkSwitch-PH供電，通過(guò)FB引腳提供電流反饋。這兩個(gè)次級側繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經(jīng)LED負載的電流成比例?？刂破髟贔B引腳收到電流反饋後，會(huì )調整集成高壓功率MOSFET的占空比，以維持電流調整率。該電路可在經(jīng)整流非平滑的AC市電輸入下工作，其控制器隨著(zhù)市電輸入在每個(gè)半周期內的升降持續調整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個(gè)半周期內的平均電荷造行控制，使其維持輸出電流調整率。由此可見(jiàn)由LinkSwitch-PH控制器構建的用于恒流LED負載的反激式電源既可以進(jìn)行配置，使其提供恒流輸出，又能實(shí)現可控硅相位角檢測和功率(功率因素)的控制。

2.2.2無(wú)任何閃爍調光控制的實(shí)現

*LinkSwitch-PH控制器所具的特性是實(shí)現無(wú)任何閃爍調光控制的保證。LinkSwitch-PH控制器所具有的其中兩個(gè)特性是連續導通模式和頻率抖動(dòng)。這兩個(gè)特性除了有助于簡(jiǎn)化輸入濾波外，因：連續導通模式具有兩大優(yōu)勢，即降低導通損耗(從而提高效率)和降低EMI特征，這有助于以低成本的小型輸入EMI濾波器來(lái)滿(mǎn)足EMI標準的要求，可省去一個(gè)大電容，并省去共模扼流圈或減小其尺寸;LinkSwitch-PH中的控制器還可將抖動(dòng)應用到高壓功率MOSFET的開(kāi)關(guān)，這樣可擴展開(kāi)關(guān)頻率的范圍，進(jìn)一步降低濾波要求。增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的1000:1調光范圍內穩定工作，并且無(wú)任何閃爍現象。

特別需指出的是，LinkSwitch-PH可通過(guò)連接的編程電阻設置為調光光模式，也可放置非調光模式。在非調光模式下，電路可以接近1的功率因數在全AC輸入范圍內提供恒流輸出。在調光模式下，整流輸入的過(guò)零點(diǎn)和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來(lái)設計這樣的高性能LED驅動(dòng)器：可在全輸入電壓范圍內工作，并使低成本可控硅調光器的調光范圍達到1000:1,同時(shí)無(wú)任何閃爍現象。

*應用LinkSwitch-PH控制器是由其獨特的特征所決定。那末究竟有什么應用特征吶?應該說(shuō)它是單級功率因數校正(PFC)、初級側恒流輸出及可控硅調光的LED驅動(dòng)器IC.

LinkSwitch-PH(如PH LNK403EG)可大幅簡(jiǎn)化要求功率因數大于0.9、具備可控硅調光的高效率LED驅動(dòng)器的設計。這款高度集成控制器的器件采用了全新的控制技術(shù)，不僅能提供非常高的功率因數和精確的恒流輸出控制，同時(shí)還可省去功率因數校正所需的無(wú)源電路以及光耦器和次級電流控制電路。每個(gè)器件都在一個(gè)單片IC上集成了一個(gè)725 V功率MOSFET、一個(gè)連續模式PWM控制器、一個(gè)自偏置的高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。而LinkSwitch-PH應用特征具體如下：其一，它是一種大幅簡(jiǎn)化離線(xiàn)式LED驅動(dòng)器。具有單級功率因數校正(PFC)及精確恒流(CC)輸出與無(wú)閃爍的相位控制可控硅調光，可省去光耦器、所有次級電流控制電路、省去所有控制環(huán)路補償電路及 簡(jiǎn)化初級側PWM調光接口;其二、精確穩定的性能。能快速啟動(dòng)時(shí)間，并補償變壓器電感容差與補償輸入電壓變化及頻率調制技術(shù)，從而極大縮減EMI濾波器的尺寸和成本;其三、先進(jìn)的保護及安全特性。它是一種開(kāi)路故障檢測模式，可通過(guò)自動(dòng)重啟動(dòng)提供短路保護能，自動(dòng)熱關(guān)斷或遲滯自動(dòng)重啟動(dòng)，無(wú)論在PCB板上還是在封裝上，都保證高壓漏極引腳與其他所有參考引腳之間滿(mǎn)足高壓爬電要求;其四、EcoSmart? - 高效節能