- 探討LED照明應用的無閃爍調光實現
- 采用隔離式設計和非隔離式設計
- 采用的控制器既能執行功率因數校正
LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個"P-N結".當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。 該項技術正日臻成熟，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間了，今后仍將不斷提高。
LED的亮度是跟LED的發光角度有必然關系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質量好的LED不管是哪家LED廠家生產的大家的亮度都差不多的，只是生產工藝不一樣，使用壽命略有不同，因為大家用的都是那幾家國外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個功率有1W,3W,5W,還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED,功率去到幾百都有。
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絡的損耗。降低電力使用對環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一步嚴格他們的功率因數規范。其中一個例子就是能源之星固態照明能效規范（09/12/07），它規定住宅照明產品的功率因數（PF）應大于0.7,商用照明產品的功率因數（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驅動電路，實現高效率工作并使功率因數達到0.9以上。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光。有人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上。
調光控制器
照明控制器以線路調光或次級側調光的方式進行工作。最簡單的線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燈進行調光時會產生大量問題。靈活的可編程控制功能可以控制降壓限壓幅度，開關燈時間任意設定。控制模式有時控，光控，手動控制，上位機遠程控制及根據使用地點的經緯度自動控制。軟啟動，軟過渡，軟關閉功能，防止過電壓及冷啟動大電流對燈具的沖擊，大幅度減少燈具的損毀率。對鈉燈，汞燈等燈具設有可調的全壓預熱啟動時間，燈具能更充分的預熱，平穩過渡到正常工作狀態。能實現全夜燈及半夜燈控制，且有后半夜再降壓調流功能，節能效果更加理想。完善的再起動功能，當負載故障，外部供電故障結束后，能自動重新點燃燈具。控制方式有時控，光控，手動控制，上位機遠程控制及根據使用地點的經緯度自動控制（選件）。三相開關燈時間及輸出電壓可獨立調節，可接不平衡及不同類型的負載。可編程的檢修模式，便于照明系統檢修，維護和燈具更換。預留一組受時鐘控制的常開接點以實現特殊控制。接點容量為7A/250VAC.
可控硅控制器在白熾燈中的表現無可挑剔，但在LED燈中會產生各種負面效應，其中包括閃爍、發光不均勻、音頻噪聲以及閃動。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。
調光控制是通過改變可控硅導通每個半周期的相位角來實現的。燈泡燈絲中的電流與調光信號的相位角密切相關，相位角的變化范圍介于0°（接近0°）到180°之間。這是可控硅在不使用柵極驅動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.驅動白熾燈時，維持電流不是問題。
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對可控硅控制器來說，白熾燈的阻抗非常低，因此不會出現振蕩。相反，LED驅動器具有高阻抗，而且其輸入EMI濾波電路由電容和電感組成。在每個半周期，當可控硅導通時就會出現浪涌電流，最糟糕的情況是，在90°導通角下輸入電壓達到最大值。如果振蕩導致電流降到IH以下，可控硅將關斷（圖3）。
圖3:輸入EM濾波器引起的電流振蕩。
當可控硅關斷時，R1和R2對DIAC（圖2）重新充電至擊穿閾值。DIAC然后導通TRIAC,重新開始下一開關周期。結果是在同一輸入線路周期內多次重啟動可控硅（圖4）。
圖4:可控硅因振蕩多次重啟動。
為避免出現與可控硅調光相關的問題，LED驅動器必須滿足LED負載非常不同的要求，同時還得與專為白熾燈設計的調光電路實現兼容。用于替換標準白熾燈的LED燈通常包含多個LED,確保提供均勻的光照。這些LED以串聯方式連接在一起。
LED燈要想實現可調光，其電源必須檢測可控硅控制器的可變相位角輸出，并利用該信息來改變LED的恒流驅動。電路自身所產生的傳導EMI必須達到最低水平，使輸入濾波器盡可能地小。此外，驅動電路必須控制功率因數。 LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。據分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W,壽命小于2000小時，螺旋節能燈的光效為60lm/W,壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W,壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm/W,壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大。
LED驅動器控制
很顯然，LED驅動器采用標準反激式拓撲結構是絕對不行的，必須使用專用的LED驅動器。圖5和圖6可以說明這一點。
圖5:使用TOPSwitch-HX的標準反激式電路。
圖5所示為使用 Power Integrations （PI）的TOPSwitch?-HX控制器設計的恒流輸出反激式電源。輸出電壓由輸出端的齊納二極管決定。這樣可通過光耦器向控制器提供反饋信號。TOPSwitch-HX控制器在輸入C處收到電壓反饋信號后，會調整集成高壓功率MOSFET開關的占空比，以維持要求的輸出。
可以對電路進行配置，使其提供恒流輸出，以便成功驅動LED燈。但是，無法實現可控硅相位角檢測和功率控制。
圖6:專用于恒流LED負載的反激式電源。
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圖6所示為使用PI的最新器件LinkSwitch?-PH設計的反激式電源。LinkSwitch-PH控制器集成了多項專用于驅動LED的新功能。該電路與圖5中的電路不同，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：通過BP引腳為LinkSwitch-PH供電，通過FB引腳提供電流反饋。這兩個次級側繞組緊密耦合，從而使偏置繞組上的電壓與流經LED負載的電流成比例。
該電路設計可在經整流非平滑的AC市電輸入下工作。控制器隨著市電輸入在每個半周期內的升降持續調整高壓功率MOSFET的占空比，并對每個半周期內的平均電荷進行控制，使其維持輸出電流調整率，如圖7所示。
圖7:LinkSwitch-PH占空比在AC半周期內的變化。
在接近過零點時，瞬態輸入電壓較低，占空比較大。在整流AC輸入峰值點時，電壓達到最大值，占空比最小。對于每個開關周期，MOSFET電流在每個周期內被積分，以得到一個電荷量。將每個周期的電荷量與參考值進行比較，當兩個數值相等時就停止開關。
調光控制
LinkSwitch-PH可通過鏈接輸入R和0 V的編程電阻設置為調光模式，也可設置為非調光模式。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，整流輸入的過零點和相位角用于設置輸出電流水平，從而提供調光功能。LinkSwitch-PH可用來設計這樣的高性能LED驅動器：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,同時無任何閃爍現象。圖8中的電路圖說明了這是如何實現的。
圖8:7 W可調光LED驅動器電路圖。
圖9:輸入相位對應于輸出電流的變化。
實現一致調光性能的關鍵之一就是在輸入端使用一個小型EMI濾波器。LinkSwitch-PH所具有的其中兩個特性有助于簡化輸入濾波，它們是連續導通模式和頻率抖動。連續導通模式具有兩大優勢：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濾波器來滿足EMI標準的要求。可省去一個X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應用到高壓功率MOSFET的開關。
輸入EMI濾波器尺寸減小意味著驅動電路的阻抗隨之減小，其重要好處就是能大幅降低輸入電流振蕩。由于LinkSwitch-PH由其內部參考電源供電，因此可進一步增強穩定性。為確保與所有類型的調光器控制實現兼容，本設計添加了兩個簡單的可選元件 - 衰減電路和泄放電路。衰減電路由元件R12、R13、R20、R17、D7、Q1、C13、VR2、Q3以及R16共同組成。該電路的作用是減小可控硅調光器導通時所產生的浪涌電流。在115 VAC下，當可控硅導通時，電路中的浪涌電流在頭2.4 ms（230 VAC下則為1.2 ms）先流經R16.在大約2.4 ms后，Q3導通并將R16短路。這樣可消除在半周期的剩余部分因電流流經R16而造成的功耗。
圖10:衰減電路和泄放電路有助于確保實現1000:1的調光范圍。
增加有源衰減電路和泄放電路可確保LED燈在極寬的調光范圍內穩定工作，且無任何閃爍。
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非隔離式LED驅動器
圖8中的電路采用了隔離式設計。該設計能為驅動器與LED燈相隔離的照明系統提供全面的安全保護。這是高功率商業和工業照明系統常用的設計。對于驅動器與LED燈同時集成在同一外殼中的應用來說，就像替換燈一樣，通常采用隔離式設計和非隔離式設計。采用非隔離式設計可以大幅減少元件數并降低系統成本。PI的LinkSwitch?-PL系列器件可提供單級功率因數校正和恒流控制，同時集成了一個725 V MOSFET,非常適合非隔離應用。圖11所示為使用LinkSwitch-PL LNK457DG （Ref2）設計的5 W可調光的功率因數校正LED驅動器的電路圖。
圖11:電路圖–去除突出顯示的結構框即可用于非調光應用。
本設計是低成本、低元件數和PCB占用面積小的解決方案，可用于白熾燈替換燈。使用包括前沿可控硅調光器在內的所有調光器類型，都可以實現無閃爍及100:1的調光范圍。由于元件間具有一致的調光性能，因此啟動時間小于300 ms.在可調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 》73%;在非調光模式下，115/230 VAC輸入的效率 》78%,且功率因數 》0.9.
圖12:驅動器集成在A19 LED替換燈中（電路板從殼體中去除）。
在設計中，變壓器不需要添加偏置繞組，恒流模式設定點由R18上的電壓降決定。然后將電壓反饋到U1的FB引腳。輸出過壓保護由VR2和R14提供。
圖13顯示了反饋電壓如何用于讓前沿調光器進行調光。
圖13:FB引腳參考電壓與可控硅相位角之間的函數關系。
LED輸出電流由FB引腳電壓控制，FB引腳電壓隨可控硅調光器的導通角按比例進行變化。當導通角減小時，FB引腳參考電壓隨之降低，從而減小LED平均電流。在接近主半周期持續時間的25%時（？OS），開始調整FB引腳電壓。在？OS和？OL之間，相位角與反饋電壓VFB之間存在線性關系。在？OL之后，可控硅導通角變得非常小，IC以恒定的頻率和占空比進行開環，其內部集成的高壓功率MOSFET能夠處理嚴重切角的輸入電壓所帶來的最大功率，從而產生深度調光的光輸出。
從上面介紹的兩種應用情況可以看出，如果所采用的控制器既能執行功率因數校正，又能執行恒流驅動和相位角檢測，那么設計出的隔離式及非隔離式LED驅動器就能與所有類型的調光控制器實現穩定工作。此外，還能使電路滿足所有國際標準的效率、功率因數、諧波和EMI要求。過去，白熾燈泡必須針對特定的電源電壓進行制造。現在，卻不必再受此限制，制造出的可調光LED燈可以不經任何改裝而通用于世界各地。
