可調(diào)光節(jié)能燈技術(shù)及其應(yīng)用

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

當(dāng)今在市面上銷售的普通節(jié)能燈是不可以進(jìn)行調(diào)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(diào)光的方案呢?答案是肯定的。為此探討如何讓可調(diào)光節(jié)能燈自動(dòng)適應(yīng)不同的可控硅調(diào)光器，以及適應(yīng)各地電網(wǎng)頻率差異，從而最大程度的接近白熾燈的調(diào)光性能，成為照明系統(tǒng)的熱點(diǎn)。而目前智慧型可調(diào)光節(jié)能燈解決方案己有：可支持 TRIAC 調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器和針對(duì)固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用、支持TRIAC 調(diào)光的單級(jí)功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動(dòng)器以及可控硅調(diào)光器無級(jí)調(diào)光等多種新型技術(shù)面世。值此以其典型為例對(duì)其主要功能特征與應(yīng)用作分析說明。首先從智慧型可控硅調(diào)光器無級(jí)調(diào)光基本架構(gòu)述起。

1 可控硅調(diào)光器無級(jí)調(diào)光基本架構(gòu)(見圖1所示)

1.1 基本架構(gòu)

該基本架構(gòu)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(zhèn)流器控制集成電路]成。它是最接近傳統(tǒng)的白熾光調(diào)光的效果，控制電路通過 PFC 電路確保直流母線電壓的穩(wěn)定，通過MCU 來檢測(cè)可控硅輸出電壓來判斷調(diào)光器的設(shè)定位置，MCU 通過給電子鎮(zhèn)流器控制集成電路來輸出對(duì)應(yīng)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)光。

若對(duì)于成本敏感和體積要求很小的節(jié)能燈方案，可以將PFC 電路去掉，使用MCU 來識(shí)別可控硅的導(dǎo)通角來判斷用戶設(shè)定的亮度，以及通過MCU 來動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(diào)光性能。

1.2 關(guān)于新型電子鎮(zhèn)流器控制IC的應(yīng)用

圖1中MCU與鎮(zhèn)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(zhèn)流器控制器芯片(如UBA2014芯片- NXP 公司產(chǎn))與一款內(nèi)置PWM模塊、低成本、小體積智能芯片作為MCU(如PIC12F615型-美國(guó)微芯公司產(chǎn))，以構(gòu)建出實(shí)用智慧型可控硅調(diào)光器無級(jí)調(diào)光器。其特點(diǎn)是能在高溫、強(qiáng)干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作。

而智慧型可控硅調(diào)光器無級(jí)調(diào)光器中新型電子鎮(zhèn)流器控制IC選擇很重要。值此以UBA2014芯片為例作說明。為什么應(yīng)用UBA2014芯片吶?這是因其UBA2014芯片是用來驅(qū)動(dòng)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器控制集成電路。它能驅(qū)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(cè)路、燈電流控制功能、定時(shí)功能以及保護(hù)功能等。在燈預(yù)熱期間，UBA2014 控制流過燈絲的電流及預(yù)熱時(shí)間，以保證燈絲得到充分而最佳的預(yù)熱，降低燈啟輝時(shí)所需的啟輝電壓，延長(zhǎng)燈絲壽命。集成電路通過控制預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流，可以很方便的定制出各種需要的啟動(dòng)時(shí)間。無論在啟輝階段還是燈管出現(xiàn)異常情況，容性模式保護(hù)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。集成電路通過改變輸出頻率來改變燈的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)燈的調(diào)光功能。當(dāng)燈管老化、燈失效或燈管被取下時(shí)，UBA2014 均有多種保護(hù)功能。在電壓低時(shí)，有掉電保護(hù)功能，以保護(hù)功率不至損壞。而UBA2028T 是UBA2014 集成功率MOSFET 的版本，可以驅(qū)動(dòng)23W 及以下節(jié)能燈，并實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

2 新型支持TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

以支持TRIAC 調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器LM3445(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司產(chǎn))應(yīng)用為例作分析說明。

2.1主要功能特征

優(yōu)勢(shì)。其應(yīng)用電壓范圍可從 80 VAC 到 270 VAC，其導(dǎo)通角檢測(cè)器/譯碼器可以實(shí)現(xiàn)全范圍的(100:1)調(diào)光，內(nèi)置300Ω泄流電阻可確保 TRIAC 信號(hào)譯碼無誤，獨(dú)特的調(diào)控架構(gòu)可確保恒定的紋波電流以延長(zhǎng)LED的工作壽命，并保證可調(diào)節(jié)輸出電流高至或大于1A，又可通過主/從操作方式控制多條燈串的亮度。具體優(yōu)點(diǎn)有四：其一、離線式解決方案優(yōu)點(diǎn)是為容易使用與降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度;其二、角度偵測(cè)器/譯碼器優(yōu)點(diǎn)是為可實(shí)現(xiàn)無閃爍的 100:1 全范圍調(diào)光;其三、獨(dú)特的調(diào)控結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單及方案尺寸小巧并可維持穩(wěn)定的紋波電流以延長(zhǎng)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(wěn)定的調(diào)光控制并可輕易地應(yīng)用到現(xiàn)行的照明系統(tǒng)中而不需更改設(shè)計(jì)。

上述這四大優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上也就是能全范圍調(diào)光能力與無閃爍的穩(wěn)定調(diào)光功能。因?yàn)樽钚碌腡RIAC調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器能夠提供100:1的調(diào)光比，故從最亮調(diào)到最暗的全程都能保持穩(wěn)定的亮度變化。同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)市電電壓下驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED，又都能保持恒定的電流;而TRIAC調(diào)光LED驅(qū)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(diào)光器便能控制多串LED，并確保調(diào)控時(shí)的亮度變化平滑穩(wěn)定，沒有頻閃現(xiàn)象。

使用方便。LM3445 LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)器可以讓LED燈直接取代那些配有TRIAC調(diào)光控制器的白熾燈或鹵素?zé)?，且無需作任何更改，保持原有的調(diào)光性能。此外，LM3445支持美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 WEBENCH? LED Designer 網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，讓工程師可以更快、更輕松完成照明系統(tǒng)。

2.2 應(yīng)用

可更新使用TRIAC調(diào)光器的照明系統(tǒng)(見圖2為新型LM3445TRIAC調(diào)光器典型應(yīng)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(tǒng)。

3 針對(duì)固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用、支持TRIAC 調(diào)光的單級(jí)功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用

為此先對(duì)其中的離線式LED驅(qū)動(dòng)器解決方案理念作說明。離線式LED驅(qū)動(dòng)器解決方案是適用于任何使TRIAC壁掛式調(diào)光器的LED照明應(yīng)用，而且能夠提供寬范圍的，穩(wěn)定的亮度調(diào)整，并不會(huì)產(chǎn)生閃爍的產(chǎn)品。此類產(chǎn)品還可以實(shí)現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率，它的典型應(yīng)用完全符合能源之星 ENERGY STAR? 對(duì)功率因素的規(guī)范要求。傳統(tǒng)的TRIAC 調(diào)光控制器是用來調(diào)節(jié)電阻性的負(fù)載(例如是白熾燈或鹵素?zé)?，而目前市場(chǎng)上的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，在作TRIAC調(diào)光控制的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生120 Hz 的閃爍及/或不能實(shí)現(xiàn) 100:1 的對(duì)比度。而離線式LED驅(qū)動(dòng)器解可將TRIAC的斬波信息解a，并轉(zhuǎn)換成一個(gè)LED調(diào)光信號(hào)，能夠在整個(gè)寬闊的調(diào)光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全無閃爍的亮度調(diào)控。

目前LED 驅(qū)動(dòng)器IC 可在固態(tài)照明應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)無閃爍的可控硅調(diào)光也有二種款型，即是LinkSwitch-PH(適合設(shè)計(jì)隔離式電源)和LinkSwitch-PL(適合設(shè)計(jì)非隔離式電源)，兩者都可實(shí)現(xiàn)無閃爍的單片TRIAC 調(diào)光，達(dá)到與白熾燈類似的照明效果。

3.1 新型架構(gòu)

LinkSwitch-PH 和LinkSwitch-PL 產(chǎn)品系列都集成了單級(jí)功率因數(shù)校正器(PFC)，可使固態(tài)照明(SSL) 燈的功率因數(shù)達(dá)到0.9 以上。LinkSwitch-PH 器件采用了初級(jí)側(cè)控制技術(shù)，因此可省去傳統(tǒng)反激式設(shè)計(jì)中常用的光耦器和眾多輔助元件。非隔離式LinkSwitch-PL 設(shè)計(jì)可進(jìn)一步減少元件數(shù)量，不僅能提升系統(tǒng)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(shè)計(jì), 即將控制器和MOSFET 集成到單晶片上，這樣可以減少元件數(shù)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(shè)計(jì)，還可提高其效率，并且還能在高達(dá)305 VAC 的輸入電壓下工作，因此它們可以用來開發(fā)適合于全球各類種住宅及商業(yè)照明應(yīng)用的單電壓產(chǎn)品和通用輸入產(chǎn)品。在制造商規(guī)定的溫度和驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)工作時(shí)，LED 的使用壽命有望達(dá)到50,000 小時(shí)以上。

眾所周知,LED 照明系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)是驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樗芾塾诓豢煽康墓怦钇骱图纳娙荨inkSwitch 產(chǎn)品中所采用的Power Integrations 獨(dú)有的精確初級(jí)側(cè)控制技術(shù)可省去光耦器。而且，新的LinkSwitch LED 驅(qū)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(shè)計(jì)SSL 產(chǎn)品時(shí)，可以預(yù)見驅(qū)動(dòng)器的工作壽命與其精確控制LED 陣列相當(dāng)。這兩種新的產(chǎn)品系列都非常適合設(shè)計(jì)替換燈中空間受限的LED 驅(qū)動(dòng)器。LinkSwitch-PH 產(chǎn)品系列用于設(shè)計(jì)隔離式電源，其額定輸出功率可達(dá)50 瓦，因此還非常適合設(shè)計(jì)筒燈、建筑照明、標(biāo)牌和室外照明中常用的外部LED 鎮(zhèn)流器。這兩款器件都可縮減電源系統(tǒng)的BOM器件數(shù)量和尺寸，從而提升系統(tǒng)可靠性。這些IC可使工H師提高系統(tǒng)效率，滿足甚至超越包括能源之星和EN61000-3-2 在內(nèi)的所有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3為例舉了用LinkSwitch-PL構(gòu)建的支持TRIAC 調(diào)光的單級(jí)功率因數(shù)校正LED 驅(qū)動(dòng)器方案示意圖.