LED照明應用的無閃爍調(diào)光實現(xiàn)方案

　如今，LED照明已確然成為一項主流技術。該項技術正日臻成熟，標志之一就是大量LED照明標準和規(guī)范的陸續(xù)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。但近段時間，LED照明設計師的工作卻更為棘手了，因為要同時滿足以下兩項要求：既要用針對白熾燈的調(diào)光器來實現(xiàn)調(diào)光控制功能，又要實現(xiàn)高功率因數(shù)性能。

　　調(diào)光是照明系統(tǒng)非常常見的功能。對于白熾燈來說，它可以以低成本輕易實現(xiàn)。LED燈的調(diào)光卻存在一定難度，但對于建筑師和住宅用戶來說，在轉(zhuǎn)換到LED照明時可不愿失去調(diào)光控制應有的優(yōu)勢。

　　功率因數(shù)是非常重要的因素，因為高功率因數(shù)可降低配電網(wǎng)絡的損耗。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(jiān)管機構(gòu)都在進一步嚴格他們的功率因數(shù)規(guī)范。其中一個例子就是能源之星固態(tài)照明能效規(guī)范(09/12/07)，它規(guī)定住宅照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應大于0.7，商用照明產(chǎn)品的功率因數(shù)(PF)應大于0.9。

　　圖1:LED燈泡構(gòu)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(diào)光器的LED驅(qū)動電路，實現(xiàn)高效率工作并使功率因數(shù)達到0.9以上。

　　調(diào)光控制器

　　照明控制器以線路調(diào)光或次級側(cè)調(diào)光的方式進行工作。最簡單的線路調(diào)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(diào)光時會產(chǎn)生大量問題。更先進的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。次級側(cè)電子控制調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。

　　可控硅控制器在白熾燈中的表現(xiàn)無可挑剔，但在LED燈中會產(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。要想弄清原因，首先必須了解可控硅調(diào)光器的工作原理。

　　圖2:前沿可控硅調(diào)光器。

　　調(diào)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(xiàn)的。燈泡燈絲中的電流與調(diào)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。可控硅的重要參數(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)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(wěn)定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8 mA到40 mA。驅(qū)動白熾燈時，維持電流不是問題。然而，由于LED燈效率較高，在無法保持維持電流和燈熄滅時，就會出現(xiàn)問題。如有任何振蕩發(fā)生，就很容易出現(xiàn)此類情況。

　　對可控硅控制器來說，白熾燈的阻抗非常低，因此不會出現(xiàn)振蕩。相反，LED驅(qū)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(xiàn)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。由于線路/濾波器阻抗的存在，總線電壓會發(fā)生過沖，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(jié)果是在同一輸入線路周期內(nèi)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(xiàn)與可控硅調(diào)光相關的問題，LED驅(qū)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(diào)光電路實現(xiàn)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(lián)方式連接在一起。每個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(qū)動，因此必須對電流進行嚴格控制，以確保相鄰LED燈之間具有高匹配度。

　　LED燈要想實現(xiàn)可調(diào)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(qū)動。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(qū)動電路必須控制功率因數(shù)。