兩種實(shí)現(xiàn)高效調(diào)光的方案

中心議題：
探討兩種實(shí)現(xiàn)高效調(diào)光的方案
解決方案：
采用多級(jí)轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光
采用TRIAC調(diào)光器

到目前為止，切相調(diào)光器的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，很顯然，能夠有效調(diào)光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢(shì)。由于市場(chǎng)上還有許多基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器，因此保證LED驅(qū)動(dòng)器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實(shí)的，特別是許多調(diào)光器僅采用基本設(shè)計(jì)，性能十分有限。

在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應(yīng)用中，越來越多的應(yīng)用中采用LED照明，并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢(shì)。在這些應(yīng)用中，大功率LED會(huì)取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應(yīng)用需要一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，其典型功率范圍為25W至150W。在許多情況中，LED負(fù)載都由一個(gè)的高亮度白光LED陣列組成，通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載的DC電流通常至少為1安培。實(shí)際也有AC電流驅(qū)動(dòng)的LED系統(tǒng)，但是一般認(rèn)為DC系統(tǒng)可以為L(zhǎng)ED提供更理想的驅(qū)動(dòng)條件。

在LED照明設(shè)備中需要進(jìn)行電流隔離，以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險(xiǎn)，這種危險(xiǎn)在大多數(shù)情況下都可能發(fā)生，除非采用一個(gè)絕緣的機(jī)械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設(shè)備等不需要通過絕緣來實(shí)現(xiàn)安全性的產(chǎn)品不同，LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)性，需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障，這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此，在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部形成絕緣就是最佳選擇，同時(shí)也說明了電源轉(zhuǎn)換器拓樸技術(shù)是可行的。

兩種可能方案分別是反激式轉(zhuǎn)換器或包括一個(gè)PFC級(jí)的多級(jí)轉(zhuǎn)換器，然后是絕緣和降壓級(jí)，最后是后端電流調(diào)整級(jí)。兩種方案之中，反激式因其相對(duì)簡(jiǎn)易且成本較低，應(yīng)用比較廣泛。

反激式轉(zhuǎn)換器為許多應(yīng)用提供了良好的解決方案（圖1），然而，它卻具有如下的局限性：有限的功率因數(shù)校正能力；在寬輸入電壓范圍上效率有限；兩倍線頻（150Hz））時(shí)的輸出紋波很難消除；需要通過附加電路進(jìn)行調(diào)光。

圖1：采用反激式轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光。

盡管多級(jí)設(shè)計(jì)（圖2）的額外成本限制了其在高端產(chǎn)品中的應(yīng)用，但這種設(shè)計(jì)卻可以克服其中的一些問題。在較寬的AC輸出電壓范圍內(nèi)，其可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和較低的總諧波失真（THD），從而使相同的LED驅(qū)動(dòng)器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主電源供電。

圖2：采用多級(jí)轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光。

能夠在很寬的范圍上保持高效率，而不是使效率在一個(gè)特定線負(fù)載點(diǎn)上達(dá)到峰值，但在不同的條件下卻又大幅下降。同時(shí)，它也更易于降低150Hz下的紋波輸出，多級(jí)系統(tǒng)使其自身能夠更加高效的采用不同的調(diào)光方式。

前端部分包括一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，配置采用一個(gè)功率因數(shù)校正做預(yù)調(diào)節(jié)，在輸出端提供一個(gè)高壓DC總線，在電壓或負(fù)載的各種變化范圍上，將其穩(wěn)定到一個(gè)固定的電壓。由于穩(wěn)壓控制回路響應(yīng)很慢，使得AC線頻率的許多周期都會(huì)受到負(fù)載變化的影響，它只吸收了一個(gè)基本的正弦線輸入電流。這個(gè)電路典型一般工作在臨界導(dǎo)通模式，否則就被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換模式。在這種模式中，PWM關(guān)斷周期和由此形成的開關(guān)頻率是可變的，所以，當(dāng)存儲(chǔ)在升壓電感器中的所有能量傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí)，新的開關(guān)周期才開始。這種共振工作模式被廣泛應(yīng)用，而且由于它的開關(guān)損耗最小，從而實(shí)現(xiàn)了高效率。在指定的功率范圍內(nèi)使用這種設(shè)計(jì)是最佳方式。

中間級(jí)將高壓DC總線電壓（典型值在475V左右）轉(zhuǎn)換成為適用于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載的低壓輸出。基于安全方面的考慮，LED負(fù)載通常采用低壓驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)電路通常最小值為1安培。通過這種方式，變壓器初級(jí)可以看到一個(gè)正負(fù)電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭，這樣兩個(gè)二極管整流器即可用于將輸出電流轉(zhuǎn)換到DC。其中輸出電流高到可以用MOSFET取代整流二極管，從而作為同步整流系統(tǒng)的方式運(yùn)行。在采用3安培電流的典型應(yīng)用中，在30度的環(huán)境溫度下，同步MOSFET的表面溫度比采用相同封裝的肖特基二極管的溫度更低。

我們可以看出，隨著電流要求的增長(zhǎng)，同步整流的熱優(yōu)勢(shì)就變得更為顯著。最后，還需要一個(gè)平滑電容，以產(chǎn)生絕緣的低紋波DC電壓。這個(gè)電容的容值為數(shù)十法拉的級(jí)別，因此要采用陶瓷電容器。

為了使半橋級(jí)效率更高，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該使其工作在諧振模式，其中MOSFET在零電壓（ZVS）條件下開關(guān)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就必須保證一個(gè)MOSFET關(guān)斷而另一個(gè)MOSFET開啟之間有一個(gè)短時(shí)延，并且在這段時(shí)延電壓從一個(gè)軌整流換向到另一條軌的中間點(diǎn)。這是因?yàn)殡姼衅髦心芰康尼尫挪⑼ㄟ^MOSFET中的體二極管進(jìn)行傳導(dǎo)。

LED驅(qū)動(dòng)器的后端級(jí)包括帶有短路保護(hù)功能的電流調(diào)制電路。這可以通過一個(gè)線性調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)，但僅采用這種方式還不夠，它只適用于低輸出電流，不可用于多級(jí)系統(tǒng)。備選方案是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓穩(wěn)壓器電路，利用電流反饋來限制每個(gè)超過目標(biāo)LED驅(qū)動(dòng)電流的輸出電流。這樣可以補(bǔ)償在溫度和器件容差帶來的總的LED正向電壓的變化，同時(shí)也限制了短路或其它故障情況下的電流，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損傷。

在多個(gè)輸出級(jí)都與由前一級(jí)供電的單獨(dú)的隔離DC電壓相連接時(shí)，也可以采用多級(jí)通道的方式。因?yàn)樵谶@樣的設(shè)計(jì)中，一個(gè)通道出現(xiàn)輸出短路不會(huì)妨礙其它通道的正常運(yùn)行。而且，這還允許將幾個(gè)通道的調(diào)制電流提供給不同的LED陣列，并且省去了對(duì)于連接平行LED陣列的需要。眾所周知，如果LED不能在相近的溫度條件下有相似的正向壓降，那么并行連接LED將會(huì)出現(xiàn)問題，這時(shí)采用帶有多個(gè)獨(dú)立輸出的驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)就顯而易見了。

TRIAC調(diào)光器的缺點(diǎn)：

現(xiàn)有的大多數(shù)調(diào)光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路。這些調(diào)光器最初設(shè)計(jì)只是與作為電阻負(fù)載的白熾燈一起使用。

三端雙向可控硅開關(guān)器件是一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，它只有當(dāng)給其第三個(gè)門極加脈沖使其觸發(fā)之后，其兩個(gè)主要端子之間可以任何一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。這個(gè)脈沖可以具有任意一個(gè)極性，因此易于通過一個(gè)基本的RC計(jì)時(shí)電路進(jìn)行創(chuàng)建。其工作原理包括：在AC線周期的一個(gè)點(diǎn)上觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān)，這樣它將一直導(dǎo)通到周期的結(jié)束，周期結(jié)束時(shí)線性電壓降為零，接著流經(jīng)三端雙向可控硅開關(guān)電流也將為零，三端雙向可控硅開關(guān)會(huì)再次關(guān)閉。三端雙向可控硅開關(guān)器件具有最小的額定保持電流，低于這個(gè)電流，開關(guān)將關(guān)閉。調(diào)節(jié)電路中的電位器控制調(diào)節(jié)器電路中三端雙向可控硅開關(guān)的開通點(diǎn)，并且通過實(shí)現(xiàn)調(diào)光改變整體的平均AC電流。

然而，即使它們包括一個(gè)功率因數(shù)校正前端，LED轉(zhuǎn)換器和其它電源或電子鎮(zhèn)流器也不會(huì)成為調(diào)光器的純電阻負(fù)載。當(dāng)調(diào)光水平被降低時(shí)，調(diào)光器中的三端雙向可控硅開關(guān)可能會(huì)不規(guī)律被激發(fā)或錯(cuò)過開關(guān)周期。無需將降壓變壓器的初級(jí)側(cè)中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點(diǎn)，電流即可以通過一個(gè)DC分隔電容器流回到線輸入。這就在AC線循環(huán)結(jié)束前，提供了少量的額外電流，這些電流將使三端雙向可控硅開關(guān)處于開啟狀態(tài)，并使其在所要求的調(diào)光范圍內(nèi)運(yùn)行。這一解決方案通過利用那些將被浪費(fèi)的電流，通過基于三端雙向可控硅開關(guān)的調(diào)光器幫助調(diào)光。（圖3）

圖3：前端和帶有調(diào)光電荷泵的半橋。

利用這種方式調(diào)光是切實(shí)可行的，因?yàn)殡S著調(diào)光級(jí)別的降低，前端級(jí)的輸出總線電壓也在降低。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了LED的線性調(diào)光，由此滿足了更為復(fù)雜的PWM調(diào)光電路的要求并避免了可能的專利侵權(quán)。盡管調(diào)光器兼容性需要損失一定的效率，但多級(jí)配置仍是更高性能LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的絕佳選擇。