適用于低功率和高功率LED照明系統的解決方案

　　LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED 的心臟是一個(gè)半導體的晶片，當電流通過(guò)導線(xiàn)作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就會(huì )被推向量子阱，在量子阱內電子跟空穴復合，然后就會(huì )以光子的形式發(fā)出能量。能完成數十種不同的工作，并且在各種設備中都能找到它們的身影。例如它們可以組成電子鐘表 表盤(pán)上的數字，從遙控器 傳輸信息，為手表表盤(pán)照明并在設備開(kāi)啟時(shí)向您發(fā)出提示。 如果將它們集結在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點(diǎn)亮交通信號燈。

　　是由超導發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強度的燈光，它發(fā)出的熱量很少，不像白熾燈那樣浪費太多熱量，不像熒光燈那樣因消耗高能量而 產(chǎn)生有毒氣體，也不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞。LED 已被全球公認為新一代的環(huán)保型高科技光源

　　光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，直觀(guān)快速，是一種使用極其簡(jiǎn)單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長(cháng)時(shí)間工作。

。 LED 具有高光效能，比傳統霓虹燈節省電能 80%以上，工作安 全可靠。LED 改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節能燈三基色粉發(fā)光的原理， 而采用電場(chǎng)發(fā)光。LED 光源具有壽命長(cháng)，光效高，無(wú)輻射與低功耗等特點(diǎn)。

　　LED照明將會(huì )取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據市場(chǎng)主導位置。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉換還需要多年時(shí)間。在此期間，LED燈設計師所面臨的挑戰是如何確保新設計與原本為白熾照明開(kāi)發(fā)的現有控制器和布線(xiàn)架構實(shí)現兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時(shí)適用于低功率和高功率LED照明系統的解決方案，它久經(jīng)考驗，非常成熟。

　　LED燈泡的構造

　　一個(gè)LED燈包含一個(gè)到十幾個(gè)甚至更多的LED芯片，它們通常串聯(lián)在一起。每個(gè)芯片的發(fā)光亮度由通過(guò)其中的電流大小決定。由于采用串聯(lián)連接方式，燈泡內每個(gè)LED芯片會(huì )自動(dòng)通過(guò)相同的電流，但每個(gè)芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會(huì )在2.8V到4.2V之間變化?？梢詫ED進(jìn)行分類(lèi)以限制電壓變動(dòng)幅度，但這會(huì )增加成本，并且正向電壓降仍會(huì )隨溫度和使用時(shí)間發(fā)生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴格規定的高效恒流電源驅動(dòng)。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內。

　　典型集成LED燈包括驅動(dòng)電路、LED集束以及可同時(shí)為驅動(dòng)器和LED芯片提供機械保護和散熱的外殼。

　　LED驅動(dòng)器的要求非常嚴格。它必須是高效節能的，必須滿(mǎn)足嚴格的EMI和功率因數規格，并能安全地耐受各種故障條件。其中最為困難的要求之一是要有調光功能。由于LED燈的特性與專(zhuān)為白熾燈所設計的調光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳。問(wèn)題可能表現為啟動(dòng)速度慢、閃爍、光照不均勻、或在調整光亮度時(shí)出現閃爍。此外，還存在各個(gè)單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問(wèn)題。這些負面情況通常是由誤觸發(fā)或過(guò)早關(guān)斷控制器以及LED電流控制不當等因素共同造成的。

　　調光控制器

　　照明控制器以線(xiàn)路調光或PWM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可控硅

控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，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。PWM調光器則用于專(zhuān)業(yè)照明系統。

　　使用前沿可控硅調光器時(shí)，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。燈泡的輸入功率與調光信號的相位角成一定的函數關(guān)系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。

　　可控硅的重要參數之一是維持電流(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8mA到40mA。因此，白熾燈的相位角調光器通常有一個(gè)規定的最小負載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經(jīng)內部可控硅的電流始終高于所規定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低，維持電流將成為一個(gè)問(wèn)題。

　　另一個(gè)潛在問(wèn)題是浪涌電流?？煽毓鑼〞r(shí)，高浪涌電流會(huì )流入LED燈。最差情況就是相位角達到90°，而此時(shí)AC輸入電壓達到峰值。對白熾燈來(lái)說(shuō)，浪涌電流不會(huì )構成問(wèn)題。但在LED燈中，驅動(dòng)器的輸入級阻抗和線(xiàn)路電容會(huì )造成振蕩。發(fā)生振蕩時(shí)，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導通。

　　要想解決這些問(wèn)題，就必須修改LED驅動(dòng)器的規格和設計。

　　非隔離式可調光LED驅動(dòng)器

　　圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調光LED驅動(dòng)器的基本應用電路圖。下面將介紹驅動(dòng)器的功能，以便闡明該驅動(dòng)器在成為可控硅調光器的負載時(shí)將會(huì )出現的問(wèn)題。

圖1 非隔離式可調光LED驅動(dòng)器的基本應用電路圖

　　該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個(gè)單片IC上集成了高壓功率MOSFET開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)

和電源控制器。該器件提供單級功率因數校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續模式、可變頻率、可變導通時(shí)間反激式轉換器轉換器

　　轉換器從原理上可分為協(xié)議轉換器、接口轉換器兩大類(lèi)。從應用上又可以分光纖轉換器、光電轉換器、視頻轉換器等等。例如視頻轉換器就是一種連接電腦和電視的設備，它可以把電腦上的內容轉換并顯示在電視機上，讓人們可以在電視上學(xué)電腦，上網(wǎng)，玩游戲，做商業(yè)演示，看股票等等。 [全文]

　　整流后的交流電源輸入由集成的725V功率MOSFET

　　“MOSFET”是英文metal-oxide- semiconductor field effect transistor的縮寫(xiě)，意即“金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管”，功率MOSFET即為以金屬層M的柵極隔著(zhù)氧化層O利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體S的場(chǎng)效應晶體管。除少數應用于音頻功率放大器，工作于線(xiàn)性范圍，大多數用作開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)器，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，耐壓從幾十伏到上千伏，工作電流可達幾安培到幾十安培。功率MOSFET都是增強型MOSFET，它具有優(yōu)良的開(kāi)關(guān)特性。

　　通過(guò)高頻變壓器

　　變壓器（Transformer）是利用互感原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線(xiàn)圈、次級線(xiàn)圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無(wú)線(xiàn)電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當初級線(xiàn)圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線(xiàn)圈中感應出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線(xiàn)圈組成，線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線(xiàn)圈，其余的繞組叫次級線(xiàn)圈。

進(jìn)行開(kāi)關(guān)。次級繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負載之前會(huì )被整流和平滑。LED負載電流還流經(jīng)檢測電阻電阻

　　電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱(chēng)為電導體，簡(jiǎn)稱(chēng)導體。電阻大的物質(zhì)稱(chēng)為電絕緣體，簡(jiǎn)稱(chēng)絕緣體。

RSENSE。RSENSE上產(chǎn)生的電壓(典型值為290mV)會(huì )通過(guò)RF出現在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為L(cháng)inkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開(kāi)路時(shí)提供過(guò)壓保護。

　　本設計中的輸出電流與電源變壓器

的特性無(wú)關(guān)。電感變化對恒流特性無(wú)任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴格的容差，這在單級轉換器中非常突出。

　　在執行調光控制時(shí)，LinkSwitch-PL器件會(huì )同時(shí)檢測輸入電壓過(guò)零點(diǎn)和可控硅調光器的導通角。輸入電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測是通過(guò)漏極節點(diǎn)內部完成的?？刂齐娐窌?huì )處理此數據并設定需要的反饋電壓，從而設定LED負載電流。

　　浪涌電流

　　如圖1所示，驅動(dòng)器對可控硅控制器構成高阻抗、大電容負載。此外，還將有電容和電感所構成的輸入EMI濾波電路。在每個(gè)半周期，都會(huì )產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。

　　要想實(shí)現無(wú)故障的調光工作，驅動(dòng)器必須能夠限制振蕩并防止可控硅電流降到維持電流值以下。圖2所示為具備此功能的驅動(dòng)器的完整電路圖。

圖 2 用于A(yíng)19白熾燈替換燈的5W、15V可控硅調光LED驅動(dòng)器的電路圖

　　圖2中的電路提供350mA的單路恒流輸出和15V的LED串電壓。使用標準交流電源可控硅調光器可將輸出電流減小1%(3mA)，并且不會(huì )造成LED負載不穩定或閃爍。該驅動(dòng)器可同時(shí)兼容低成本的可控硅調光器和更復雜的電子前沿及后沿調光器。

　　該驅動(dòng)器的功能增加了輸入EMI濾波和三個(gè)可控硅調光所特有的元件：一個(gè)無(wú)源衰減電路、一個(gè)有源衰減電路和一個(gè)泄放電路。

　　輸入EMI濾波可確保符合IEC環(huán)形波和EN55015傳導EMI規定。然而，關(guān)鍵點(diǎn)在于LinkSwitch-PL控制器集成了內置的頻率抖動(dòng)特性。該特性可分散開(kāi)關(guān)頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠低于正常要求。這有助于大幅減小對可控硅帶來(lái)的電感性負載，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。

　　電阻R20構成無(wú)源衰減電路。有源衰減電路在每個(gè)交流半周期通過(guò)輸入整流管連接串聯(lián)電阻(R7和R8)，在剩下的交流周期則通過(guò)并聯(lián)可控硅整流器整流器

(Q3)繞過(guò)該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導通前的延遲時(shí)間，然后將衰減電阻R7和R8短路。無(wú)源衰減電路和有源衰減電路可在每個(gè)半周期可控硅導通時(shí)，共同限制峰值浪涌電流。

　　電阻R10、R11和C6形成泄放電路，確保初始輸入電流量可以滿(mǎn)足可控硅的維持電流要求，特別是在導通角較小的情況下。對于非調光應用，則可以省去無(wú)源衰減電路、有源衰減電路以及泄放電路。

　　隔離式LED驅動(dòng)器

　　圖2中的驅動(dòng)器針對低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專(zhuān)門(mén)優(yōu)化過(guò)。PI針對要求電氣隔離的更高功率LED照明系統，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示(詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅動(dòng)器的電路圖。

圖 3 14W可控硅調光的高功率因數LED驅動(dòng)器的電路圖

　　該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內對28V的額定LED串電壓提供0.5A驅動(dòng)電流，其特性包括超寬調光范圍、無(wú)閃爍工作(即使使用低成本的交流輸入可控硅調光器)以及快速平滑的導通。

　　它所使用的拓撲結構是運行于連續導通模式下的隔離反激式結構。輸出電流調節完全從初級側檢測，因此無(wú)需使用次級反饋元件。單級內部控制器調整高壓功率MOSFET的占空比，以保持輸入電流為正弦交流電，從而確保高功率因數和低諧波電流。

　　該電路的功能與圖2中的電路大體相似，最明顯的差異是該電路采用了電氣隔離，沒(méi)有使用與負載串聯(lián)的檢測電阻。反饋控制通過(guò)變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項功能：經(jīng)由旁路(BP)輸入對LinkSwitch-PH供電，經(jīng)由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個(gè)重要輸入是電壓監測(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測器接口相連，后者由D1、C3、R1、R2和R3構成。外加電流用于控制輸入欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)的停止邏輯，并提供前饋信號以控制輸出電流和遠程開(kāi)/關(guān)功能。該電路集成了衰減電路和泄放電路，以確?？煽毓韫ぷ?。

　　在任何LED照明裝置中，驅動(dòng)器的性能都決定著(zhù)最終用戶(hù)的照明體驗，包括啟動(dòng)時(shí)間、調光、無(wú)閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅動(dòng)器可同時(shí)在115 VAC和230 VAC下兼容各種調光器并兼容盡可能寬的調光范圍。因此，衰減電路和泄放電路會(huì )起到相對積極的作用，但這會(huì )讓效率下降。即使如此，該電路的效率仍能在115 VAC下≥85%，在230 VAC下≥87%。如果不需要調光功能，可省去衰減電路和泄放電路，可取得更高的效率。

　　由上述設計我們看到，新技術(shù)的功耗低到只是舊技術(shù)的十分之一，在會(huì )降低效率(即增加功耗)的情況下，是否真的有必要與所有舊的可控硅控制器實(shí)現兼容？當使用一個(gè)最低負載規格為40W的1000W可控硅控制器提供驅動(dòng)時(shí)，我們能否讓一個(gè)5W LED燈正確工作呢？是的，這是可以做到的，也許應該盡快做到。但我們必須謹記，完整照明解決方案的最終目標是實(shí)現最大效率和最低生命周期成本。